Одно из самых необычных столкновений чёрных дыр, когда-либо зарегистрированных с помощью гравитационных волн, может выглядеть гораздо более экстремальным, чем было на самом деле. Новое исследование предлагает объяснение, согласно которому сигнал от рекордного события мог быть усилен гравитационным линзированием на пути к Земле. Если эта интерпретация верна, истинская масса столкнувшихся объектов была существенно ниже первоначальных оценок.
Речь идёт о событии GW231123, зарегистрированном сетью гравитационно-волновых обсерваторий LIGO, Virgo и KAGRA в ноябре 2023 года. Первоначальный анализ показал, что столкнулись две чрезвычайно массивные чёрные дыры, а их суммарная масса могла составлять примерно от 190 до 265 масс Солнца. Это сделало событие одним из наиболее загадочных наблюдений в истории гравитационно-волновой астрономии.
Такие массы трудно объяснить обычными сценариями образования чёрных дыр при гибели массивных звёзд. Однако новая работа показывает, что наблюдаемый сигнал мог быть искажён массивным объектом, находившимся между источником гравитационных волн и Землёй. В таком случае сами чёрные дыры были бы менее массивными, а необычайная сила зарегистрированного сигнала объяснялась бы своеобразным космическим «увеличительным стеклом».
Как столкновения чёрных дыр становятся видимыми для Земли
Чёрные дыры не излучают свет непосредственно, поэтому увидеть их столкновение обычным телескопом невозможно. Однако при движении двух массивных чёрных дыр вокруг общего центра масс система теряет энергию, испуская гравитационные волны.
Постепенно орбиты объектов сокращаются. Чёрные дыры начинают вращаться всё быстрее, затем сталкиваются и образуют новый, более массивный объект. В этот момент в пространство распространяется мощный импульс гравитационных волн.
Что представляют собой гравитационные волны
Гравитационные волны можно описать как чрезвычайно слабые колебания самого пространства-времени. Когда такая волна проходит через определённую область, расстояния в одном направлении на короткое время увеличиваются, а в другом — уменьшаются.
Даже чрезвычайно мощное космическое событие создаёт на Земле исключительно слабый эффект. Именно поэтому для регистрации гравитационных волн потребовались огромные высокоточные установки.
Обсерватории LIGO, Virgo и KAGRA используют лазерные интерферометры, способные измерять крайне небольшие изменения расстояния. По форме зарегистрированной волны учёные могут восстанавливать характеристики системы, породившей сигнал.
Что можно узнать по форме сигнала
Гравитационная волна несёт информацию о движении объектов перед столкновением. Частота сигнала увеличивается по мере того, как чёрные дыры сближаются и начинают двигаться быстрее.
Анализируя изменение частоты и амплитуды волны, исследователи могут оценить массу сталкивающихся объектов, параметры их вращения и характеристики образовавшейся после слияния чёрной дыры.
Однако этот метод предполагает, что сигнал дошёл до Земли без существенных искажений. Именно это предположение оказалось особенно важным в случае GW231123.
Почему событие GW231123 считалось рекордным
Сигнал GW231123 был зарегистрирован 23 ноября 2023 года. Первоначальная интерпретация показала, что он возник в результате столкновения исключительно массивной пары чёрных дыр.
Суммарная масса двух объектов оценивалась примерно в диапазоне от 190 до 265 масс Солнца. По этим параметрам событие оказалось связано с одной из самых массивных двойных систем чёрных дыр, когда-либо обнаруженных с помощью гравитационных волн.
Проблема необычайно больших масс
Такие значения вызвали особый интерес у астрофизиков, поскольку происхождение очень массивных чёрных дыр звёздного типа остаётся сложной проблемой.
Обычные чёрные дыры возникают после эволюции и гибели массивных звёзд. Однако существуют диапазоны масс, в которых образование чёрных дыр непосредственно в результате звёздного коллапса считается затруднительным или требует специальных условий.
Поэтому обнаружение чрезвычайно массивной пары могло указывать на более сложную историю её формирования. Например, отдельные чёрные дыры могли сами появиться в результате предыдущих слияний.
Но существует и другое объяснение: сами объекты могли быть менее массивными, чем показал первоначальный анализ.
Необычный сигнал мог быть усилен по пути к Земле
Гравитационные волны распространяются через Вселенную на огромные расстояния. На этом пути они могут проходить рядом с массивными объектами.
Гравитация способна изменять траекторию распространения не только света, но и других форм излучения. Это явление известно как гравитационное линзирование.
Если гравитационная волна проходит через подходящую гравитационную структуру, её сигнал может быть усилен и искажён. Для наблюдателя на Земле источник в таком случае может выглядеть иначе, чем он выглядел бы без воздействия промежуточного объекта.
Гравитационная линза как космический увеличитель
Гравитационное линзирование возникает потому, что массивные объекты искривляют пространство-время вокруг себя. Свет, проходящий через такую область, меняет направление движения.
Именно благодаря этому эффекту астрономы могут наблюдать далёкие галактики, которые иначе были бы слишком слабыми для современных телескопов. Гравитация массивного объекта между наблюдателем и далёким источником действует как своеобразная линза.
Линзирование влияет не только на свет
Принципиально важно, что гравитация воздействует не исключительно на электромагнитное излучение. Гравитационные волны также распространяются в искривлённом пространстве-времени.
Если на их пути находится достаточно массивный объект, характеристики волны, достигшей наблюдателя, могут отличаться от первоначального сигнала.
В случае GW231123 исследователи рассмотрели именно такую возможность. Согласно предложенной модели, зарегистрированный сигнал мог быть увеличен и дополнительно изменён гравитационным линзированием.
Почему усиленный сигнал может привести к неправильной оценке источника
Сила зарегистрированного гравитационно-волнового сигнала используется при определении характеристик далёкого события. Если волна была усилена гравитационной линзой, наблюдатель получает сигнал, который выглядит более мощным, чем был изначально.
При отсутствии учёта линзирования это может привести к ошибочной интерпретации параметров источника.
Именно поэтому чрезвычайно массивное слияние могло оказаться менее экстремальным. Усиление происходило бы не в момент столкновения самих чёрных дыр, а значительно позже — во время путешествия гравитационной волны через космическое пространство.
Учёные предложили новую модель события
Для проверки этой гипотезы исследователи создали модель, учитывающую возможное влияние гравитационной линзы на сигнал GW231123.
В рассматриваемом сценарии на пути гравитационной волны находился компактный массивный объект. Одним из возможных вариантов могла быть чёрная дыра промежуточной массы, расположенная внутри более крупной гравитационной структуры галактического масштаба.
Почему одного массивного объекта может быть недостаточно
Реальное гравитационное окружение во Вселенной редко состоит из одного полностью изолированного объекта. Чёрные дыры находятся в галактиках, галактики содержат огромные количества звёзд, газа и тёмной материи.
Поэтому новая модель учитывала не только компактный объект, способный создавать сильное локальное линзирование, но и более широкое гравитационное поле окружающей структуры.
Такой подход позволил исследовать, насколько хорошо сложная система гравитационных линз может объяснить особенности наблюдаемого сигнала.
Проверка совпадения модели с реальными данными
Учёные сравнили предсказания модели с параметрами гравитационной волны, зарегистрированной сетью детекторов.
Результат показал статистически значимую поддержку сценария с гравитационным линзированием. Согласно анализу, вероятность того, что соответствующие особенности сигнала возникли случайно, составляет менее одного процента.
Это не означает окончательного доказательства того, что GW231123 действительно был линзирован. Однако новая интерпретация получила серьёзную статистическую поддержку и стала важной альтернативой первоначальному объяснению.
Настоящая масса чёрных дыр могла быть значительно ниже
Если предположение о гравитационном линзировании верно, суммарная масса двух сталкивающихся чёрных дыр должна быть пересмотрена.
Вместо первоначального диапазона примерно от 190 до 265 солнечных масс новая интерпретация даёт значение около 100–180 масс Солнца.
Это всё ещё чрезвычайно массивная система. Однако она значительно меньше первоначальных оценок и создаёт меньше проблем для существующих моделей формирования чёрных дыр.
Событие остаётся необычным даже после пересмотра
Уменьшение оценки массы не превращает GW231123 в обычное столкновение.
Даже суммарная масса в диапазоне 100–180 масс Солнца делает эту систему одним из очень массивных объектов среди известных источников гравитационных волн. Тем не менее различие между первоначальной и новой оценкой принципиально важно для понимания происхождения этих чёрных дыр.
Чем больше масса объекта, тем сложнее объяснить его появление в рамках стандартных сценариев эволюции звёзд.
Пересмотр снижает напряжение между наблюдениями и теорией
Именно поэтому новая интерпретация может облегчить некоторые проблемы, возникшие после первоначального анализа GW231123.
Если массы объектов были искусственно завышены из-за гравитационного линзирования, необходимость искать чрезвычайно необычный механизм их образования становится менее острой.
Однако вопрос происхождения столь массивных чёрных дыр всё равно остаётся открытым. Современные наблюдения показывают, что во Вселенной существуют объекты, которые могли пройти сложную эволюционную историю.
Чёрные дыры могут расти после предыдущих столкновений
Один из возможных механизмов образования массивных чёрных дыр связан с повторными слияниями.
Когда две чёрные дыры сталкиваются, они образуют новый, более массивный объект. Если такой объект позднее оказывается в среде, где возможны новые встречи с другими чёрными дырами, он теоретически может участвовать в очередном слиянии.
Так формируется так называемое иерархическое слияние.
Следы предыдущей истории могут сохраняться в свойствах чёрных дыр
Чёрная дыра, возникшая после предыдущего столкновения, может обладать характеристиками, отличающими её от объекта, образовавшегося непосредственно после гибели звезды.
Особенно важную информацию могут содержать масса и вращение чёрных дыр. Поэтому каталог гравитационно-волновых событий используется не только для регистрации отдельных столкновений, но и для изучения целых популяций объектов.
Анализ большого количества событий помогает определить, существуют ли группы чёрных дыр с различным происхождением.
Почему точная масса имеет решающее значение
Если массы источников определяются с ошибкой из-за линзирования, это влияет на более широкую картину.
Астрономы используют статистику обнаруженных чёрных дыр для изучения их распределения по массам. Если некоторые особенно мощные сигналы были усилены по пути к Земле, часть объектов могла выглядеть более массивной, чем является в действительности.
Поэтому проверка влияния гравитационного линзирования важна не только для одного рекордного события.
Возможно, другие гигантские слияния тоже были искажены
Авторы исследования считают, что GW231123 может быть не единственным случаем, когда линзирование влияет на интерпретацию гравитационно-волнового сигнала.
По мере развития гравитационно-волновой астрономии детекторы регистрируют всё больше столкновений чёрных дыр. Среди сотен известных событий встречаются системы с необычно большими массами.
Каждое такое событие обычно анализируется на основе моделей распространения гравитационных волн. Но по мере повышения точности наблюдений становится возможным учитывать всё больше факторов, способных изменить сигнал во время его путешествия через Вселенную.
Космическое пространство не является пустым
Между далёким источником и Землёй могут находиться галактики, скопления галактик, компактные объекты и другие массивные структуры.
Каждая из них создаёт собственное гравитационное поле. В большинстве случаев влияние на проходящий сигнал может быть слишком слабым для заметного эффекта, однако при определённой геометрии расположения линзирование способно существенно изменить наблюдаемую картину.
Поэтому для особенно необычных событий необходимо проверять, не связан ли их экстремальный характер с воздействием промежуточных объектов.
Старые данные могут получить новую интерпретацию
Повторный анализ уже зарегистрированных гравитационно-волновых событий становится важным направлением исследований.
Развитие теоретических моделей позволяет искать эффекты, которые раньше не учитывались полностью. Это обычная часть научного процесса: новые методы могут изменить интерпретацию данных, собранных несколькими годами ранее.
Сигнал остаётся тем же, но меняется способность исследователей извлекать из него информацию.
Будущие детекторы помогут проверить гипотезу
Чувствительность гравитационно-волновых обсерваторий продолжает повышаться. Более совершенные инструменты смогут регистрировать больше событий и изучать их с более высокой точностью.
Это особенно важно для поиска признаков гравитационного линзирования. Если подобные эффекты действительно встречаются среди гравитационных волн, будущие наблюдения должны помочь обнаружить новые примеры.
Больше событий означает лучшую статистику
Одно необычное событие всегда сложно интерпретировать окончательно. Даже убедительная модель требует дополнительной проверки.
Если в будущем будут обнаружены другие гравитационно-волновые сигналы с похожими признаками линзирования, исследователи смогут сравнить их между собой и проверить, насколько часто такие эффекты возникают во Вселенной.
Большое количество наблюдений позволит лучше понять, какие объекты чаще всего становятся гравитационными линзами для гравитационных волн.
Гравитационные волны становятся новым способом изучения Вселенной
Традиционная астрономия в основном основана на наблюдении электромагнитного излучения — радиоволн, инфракрасного, видимого, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения.
Гравитационные волны открыли принципиально иной канал получения информации. Они позволяют изучать процессы, которые могут практически не сопровождаться световым излучением.
Столкновения чёрных дыр стали первым крупным примером таких событий. Теперь исследователи начинают использовать гравитационные волны не только для изучения самих источников, но и для исследования объектов, расположенных между источником и Землёй.
Рекордное слияние может оказаться важнее именно из-за ошибки в оценке
История GW231123 показывает, насколько сложной может быть интерпретация данных современной астрономии.
Первоначально событие выглядело как столкновение рекордно массивных чёрных дыр. Теперь появилась обоснованная модель, согласно которой наблюдаемая мощность сигнала могла быть увеличена гравитационным линзированием.
Если этот сценарий подтвердится, GW231123 останется исключительно важным событием, но уже по другой причине. Оно может стать одним из наиболее убедительных примеров того, что гравитационные волны способны изменяться во время путешествия через космические структуры.
Пересмотр массы с примерно 190–265 до 100–180 солнечных масс не делает столкновение обычным. Однако он показывает, что самые экстремальные объекты во Вселенной иногда могут выглядеть ещё более экстремальными из-за особенностей пространства, через которое проходит их сигнал.
Для гравитационно-волновой астрономии это имеет серьёзное значение. Чем точнее учёные смогут учитывать влияние промежуточных объектов, тем надёжнее будут оценки масс далёких чёрных дыр и тем точнее станет картина их происхождения и эволюции во Вселенной.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
