Пять необычных фактов о черных дырах

14 сентября 2015 года, всего через несколько дней после первого включения LIGO, через Землю прошла гравитационная волна. Подобно миллиардам подобных волн, которые проходили через Землю на протяжении ее истории, эта была порождена закручиванием, слиянием и столкновением двух массивных сверхдалеких объектов далеко за пределами нашей галактики. С расстояния более миллиарда световых лет мы получили сигнал о слиянии двух черных дыр. Сигнал, двигаясь на скорости света, наконец-то достиг Земли.

И в этот раз мы были готовы. Двойные детекторы LIGO увидели, как их рукава расширились и сжались на субатомную величину, но этого было достаточно для того, чтобы лазерный луч сдвинулся и произвел очевидное изменение интерференционной картинки. Впервые мы обнаружили гравитационную волну. Три года спустя мы уже обнаружили одиннадцать таких, десять из которых пришли от черных дыр. Вот, что мы узнали.

Было два «прогона» данных LIGO: первый с 12 сентября 2015 года по 19 января 2016 года и второй, с улучшенной чувствительностью, с 30 ноября 2016 года по 25 августа 2017 года. Последний запуск, в частности, проходил совместно с детектором VIRGO в Италии, который добавил не только третий детектор, но и значительно улучшил нашу способность отмечать место появления этих гравитационных волн. LIGO в настоящее время не работает, закрыта на ремонт с обновлениями, которые сделают ее еще более чувствительной. Новый сеанс сбора данных должен начаться весной 2019 года.

30 ноября научная коллаборация LIGO обнародовала результаты своего улучшенного анализа, который чувствителен к последним стадиям слияния объектов с массой от 1 до 100 солнечных.

Из 11 обнаружений, которые были сделаны к настоящему времени, 10 представляют слияния черных дыр, и только GW170817 представляет слияние нейтронных звезд. Слияние нейтронных звезд происходило ближе всех к нам — всего в 130-140 миллионах световых лет. Самое массивное слияние — GW170729 — мы услышали с расстояния в 9 миллиардов лет.

Два этих обнаружения представляют также самое легкое и самое тяжелое слияние с образованием гравитационных волн: в GW170817 столкнулись нейтронные звезды массой в 1,46 и 1,27 солнечных, а в GW170729 столкнулись черные дыры с массой в 50,6 и 34,3 солнечных масс.

Перед вами пять удивительных фактов, которые мы узнали, благодаря всем этим обнаружениям.

#1. Большое не всегда видно лучше

Самые большие слияние черных дыр проще всего увидеть — и они не больше 50 солнечных масс. Гравитационные волны хороши тем, что их проще разглядеть издалека, чем источник света. Свет теряет яркость пропорционально квадрату расстояния: звезда, которая в десять раз дальше, будет в сто раз тусклее. Но гравитационные волны затухают прямо пропорционально расстоянию: черные дыры, которые будут на таком расстоянии, произведут 1/10, а не 1/100 силу сигнала.

В результате этого мы можем увидеть очень массивные объекты на очень больших расстояниях, но при этом не видим черных дыр, сливающихся при 75, 100, 150 или 200+ солнечных массах. От 20 до 50 солнечных масс — вполне распространены, но выше этого мы пока ничего не видели. Возможно, черные дыры, рождающиеся из сверхмассивных звезд действительно являются редкостью.

#2. Больше детекторов — лучше

Добавление третьего детектора одновременно улучшает способность определять позиции объектов и увеличивает частоту обнаружения. LIGO проработала около 4 месяцев во время первого запуска и 9 месяцев во время второго. Тем не менее, половина их обнаружений пришлась на последний месяц: вместе с ней работала VIRGO. В 2017 году гравитационно-волновые события были обнаружены в эти дни:

• 29 июля (черные дыры солнечных масс 50.6 и 34.3),
• 9 августа (черные дыры солнечных масс 35.2 и 23.8),
• 14 августа (черные дыры солнечных масс 30.7 и 25.3),
• 17 августа (нейтронные звезды солнечных масс 1.46 и 1.27),
• 18 августа (черные дыры солнечных масс 35.5 и 26.8),
• 23 августа (черные дыры солнечных масс 39.6 и 29.4).

Во время этого последнего месяца наблюдений мы находили слияния чаще, чем раз в неделю. Может быть, когда мы станем чувствительными к большим расстояниям и сигналам меньших амплитуд и масс, мы начнем видеть по одному событию в день в 2019 году.

#3. Слияние черных дыр озаряет Вселенную

Когда черные дыры, которые мы находили, сталкивались, они высвобождали больше энергии на пике, чем все звезды во Вселенной вместе взятые. Наше Солнце — это стандарт, который формирует наш взгляд на остальные звезды. Оно сияет настолько ярко, что его общая выработка энергии — 4 х 10²⁶ Вт — эквивалентна превращению четырех миллионов тонн материи в чистую энергию ежесекундно.

При оценке ~10²³ звезд в наблюдаемой Вселенной, общая выходная мощность всех звезд, сияющих в небе, превышает 10⁴⁹ Вт в любой момент времени: огромное количество энергии распространяется по всему космосу. Но в течение нескольких миллисекунд во время пика слияния двойных черных дыр, каждое из 10 наблюдаемых событий, с точки зрения энергии, затмило все звезды во Вселенной вместе взятые. (Хотя это количество относительно небольшое). Неудивительно, что самые массивные слияния возглавили этот список.

#4. Генераторы энергии

Порядка 5% общей массы обеих черных дыр преобразовалось в чистую энергию по формуле Эйнштейна E = mc² во время этих слияний. Рябь в космосе, которую производят эти слияния черных дыр, должна откуда-то получать энергию и каким-то образом должна исходить из массы самих сливающихся черных дыр. В среднем, исходя из величины сигналов гравитационных волн, которые мы видели, и восстановленных расстояний до них, черные дыры теряют около 5% своей общей массы, которая превращается в гравитационно-волновую энергию, при слиянии.

• GW170608, слияние черных дыр с самой низкой массой, преобразовало 0,9 солнечной массы в энергию.
• GW150914, первое сияние черных дыр, преобразовало 3,1 солнечной массы в энергию.
• GW170729, самое массивное слияние черных дыр, преобразовало 4,8 солнечной массы в энергию.

Эти события, порождающие рябь в пространстве-времени, представляют собой самые энергичные события, известные со времен Большого Взрыва. Они производят больше энергии, чем любое слияние нейтронных звезд, гамма-всплески или сверхновые.

#5. Больше меньших — скоро

Со всем, что мы к настоящему времени увидели, можно ожидать, что мы увидим слияния черных дыр с меньшей массой и большей частотой. Самые массивные слияния черных дыр производят сигналы с самой большой амплитудой, поэтому их легче всего обнаружить. Но с учетом того, как связаны объем и расстояние, вдвое большая дистанция означает в восемь раз больший объем. Чем чувствительнее становится LIGO, тем легче обнаруживать массивные объекты на больших расстояниях, нежели маломассивные объекты поблизости.

Мы знаем, что существуют черные дыры в 7, 10, 15 или 20 солнечных масс, но LIGO проще обнаружить более массивную черную дыру подальше. Мы ожидаем, что существуют двойные черные дыры с несовпадающими массами: одна из них будет гораздо массивнее другой. По мере того, как улучшается наша чувствительность, мы ожидаем, что их будет больше, но проще всего будет найти самые массивные. Мы ожидаем, что самые массивные из них будут доминировать в первых обнаружениях, так же, как «горячие юпитеры» доминировали в первых поисках экзопланет. По мере того, как мы будем улучшать процесс поиска, мы будем находить больше черных дыр с меньшей массой.

Когда было объявлено об обнаружении первой гравитационной волны, вместе с этим родилась гравитационно-волновая астрономия. Люди сравнивали это событие с тем, когда Галилей впервые направил свой телескоп на небеса, однако в действительности это намного большее. Как будто наши небеса были покрыты облаками, и мы впервые разработали устройство, позволяющее увидеть сквозь них достаточно яркий источник гравитации: слияние черных дыр или нейтронных звезд. Будущее гравитационно-волновой астрономии обещает перевернуть наше представление о Вселенной, показать ее в новом свете. И это будущее уже прибыло.