Впервые обнаружены гравитационные волны от столкновения чёрной дыры с нейтронной звездой

Почти все известные всплески гравитационных волн порождены слиянием чёрных дыр, но нынешний случай особый.

Иллюстрация LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet).

Галактика, в которой, предположительно, произошло столкновение.

Иллюстрация UCSC Transients/Twitter.

Астрономы впервые стали свидетелями уникального события: столкновения чёрной дыры и нейтронной звезды. До этого момента учёные вообще не были уверены, что такие катаклизмы бывают. Открытие сделано благодаря детекторам гравитационных волн LIGO и VIRGO.

Речь идёт о событии S190814bv, зарегистрированном 14 августа 2019 года. Сигнал такой сильный, что вероятность ложного обнаружения ничтожна. Подобный конфуз мог бы случиться примерно один раз за 1025 лет, что в тысячу триллионов раз превышает возраст Вселенной.

Судя по характеру принятых гравитационных волн, с вероятностью более 99% их источником послужило слияние чёрной дыры и нейтронной звезды. По подсчётам специалистов, оно произошло в 900 миллионах световых лет от Земли.

Никогда раньше астрономам не удавалось наблюдать подобное событие ни посредством гравитационных волн, ни каким-либо иным образом.

Как уточняет издание ScienceAlert, до этого гравитационные детекторы фиксировали лишь одно событие, которое могло оказаться таким столкновением. Но сигнал был очень слабым, так что это, скорее всего, был ложный результат. И даже если столкновение было реальным, шансы на то, что с чёрной дырой столкнулась именно нейтронная звезда, а не другая чёрная дыра, составляли лишь 13%.

Кроме того, после S190814bv в базе данных появилась информация о событии S190816i, зарегистрированном 16 августа 2019 года. У него есть 83% шансов оказаться столкновением нейтронной звезды и чёрной дыры, если срабатывание детектора истинное. Но этот сигнал также очень слаб и, скорее всего, представляет собой ложную тревогу.

А вот в случае S190814bv вероятность ложного срабатывания, повторим, практически нулевая, так что событие имело место. Правда, остаётся маленький (менее 1%) шанс, что оно было столкновением двух чёрных дыр, и нейтронные звёзды ни при чём. Этот маловероятный сценарий тоже интересен, так как в этом случае одним из "участников ДТП" была чёрная дыра рекордно малой массы (всего треть солнечной).

Галактика, в которой, предположительно, произошло столкновение.

Поясним, как происходят подобные столкновения. Нейтронная звезда и чёрная дыра образовывали пару, обращавшуюся вокруг общего центра масс. "Сладкая парочка" излучала гравитационные волны (невидимые для действующих детекторов) и из-за этого теряла энергию. Поэтому небесные тела постепенно приближались друг к другу. В конце концов они столкнулись и слились. В момент катаклизма и возникли гравитационные волны, зафиксированные LIGO и VIRGO.

Это единственный реалистичный сценарий, так как вероятность, что одиночная чёрная дыра и одиночная нейтронная звезда встретятся и сразу столкнутся "лоб в лоб", ничтожно мала. Скорее в результате подобной встречи (которая сама по себе достаточно маловероятна) и образуется упомянутая двойная система, и только спустя какое-то время она придёт к катастрофе.

Другой путь к возникновению подобного тандема – двойная звезда, у которой один компонент со временем превратился в нейтронную звезду, а другой – в чёрную дыру.

Какой из двух сценариев привёл к образованию пары, гибель которой астрономы наблюдали как S190814bv? Благодаря анализу данных с гравитационных детекторов учёные могут это выяснить.

Если два объекта изначально образовались в паре (сначала как звёзды, а потом как чёрная дыра и нейтронная звезда), то оси их вращения должны быть направлены одинаково. Если же чёрная дыра захватила проходившую мимо нейтронную звезду в гравитационный плен, то причин для такого совпадения нет.

Исследователи могут определить, одинаково ли были направлены оси вращения, изучая тонкие детали гравитационного всплеска.

Как бы ни образовалась погибшая двойная система, для астрономов это первое свидетельство того, что подобные пары вообще бывают.

Конечно, известны двойные нейтронные звёзды. Двойные чёрные дыры тоже бывают: именно их столкновения породили почти все наблюдавшиеся до сих пор всплески гравитационных волн. Нет никаких причин, по которым не мог бы реализоваться и промежуточный вариант. Но учёные очень строго относятся к разнице между "должны быть" и "доказано, что есть". Между тем подобные тандемы очень сложно обнаружить, так что S190814bv оказал астрономам огромную услугу.

Теперь астрономы ищут следы этого события с помощью оптических и других телескопов. Напомним, что столкновения чёрных дыр, по мнению подавляющего большинства специалистов, не производят никакой заметной вспышки в видимом свете, радиоволнах и так далее. Слияние нейтронных звёзд, напротив, наблюдается как яркий взрыв. Столкновение чёрной дыры с нейтронной звездой, скорее всего, породит вспышку, "но это не точно".

Подобные наблюдения могут предоставить астрономам бесценную информацию о состоянии материи внутри нейтронной звезды, которое десятилетиями остаётся предметом споров.

На момент выхода материала запись о событии S190814bv в базе данных LIGO гласит, что ни в какие электромагнитные телескопы (оптические, инфракрасные, радио-, гамма- или рентгеновские) оно пока не обнаружено.

Напомним, что гравитационные детекторы недавно прошли масштабную модернизацию, фактически поставив обнаружение гравитационных волн на поток. Поэтому человечеству наверняка предстоит ещё много интересных открытий в этой области.