Астрономы зафиксировали резкое увеличение "цунами" от гравитационных волн

Последняя серия наблюдений за гравитационными волнами принесла самый большой урожай. Менее чем за пять месяцев, с ноября 2019 года по март 2020 года, интерферометры LIGO-Virgo зарегистрировали 35 гравитационно-волновых событий. В среднем, это почти 1,7 гравитационно-волновых событий каждую неделю в течение всего периода работы.

Это значительно больше, чем 1,5 события в неделю, обнаруженные во время предыдущего запуска, и результат, который увеличил общее количество событий до 90 с момента первого исторического обнаружения гравитационных волн в сентябре 2015 года.

"Эти открытия представляют собой десятикратное увеличение числа гравитационных волн, обнаруженных LIGO и Virgo с момента начала наблюдений", - сказала астрофизик Сьюзан Скотт из Австралийского национального университета в Австралии.

"Мы обнаружили 35 событий. Это очень много! Для сравнения, за первый цикл наблюдений, который длился четыре месяца в 2015-16 годах, мы обнаружили три события. Это действительно новая эра для обнаружения гравитационных волн, и растущая популяция открытий раскрывает так много информации о жизни и смерти звезд во всей Вселенной".

Из 35 новых обнаружений 32, скорее всего, являются результатом слияний между парами черных дыр. Это происходит, когда пары черных дыр на близкой орбите притягиваются друг к другу под действием взаимной гравитации, в конечном итоге сталкиваясь, образуя одну единственную, более массивную черную дыру.

Это столкновение посылает рябь в пространстве-времени, подобно ряби, возникающей, когда вы бросаете камень в пруд; астрономы могут проанализировать эту рябь, чтобы определить свойства черных дыр.

Данные показали диапазон масс черных дыр, причем масса самой массивной из них примерно в 87 раз превышает массу Солнца. Эта черная дыра слилась с компаньоном, масса которого в 61 раз больше массы Солнца, в результате чего образовалась единая черная дыра, масса которой в 141 раз больше массы Солнца. Это событие получило название GW200220_061928.

В результате другого слияния образовалась черная дыра, масса которой в 104 раза превышает массу Солнца; обе эти черные дыры считаются черными дырами промежуточной массы - это диапазон масс от 100 до примерно миллиона солнечных масс, в котором обнаружено очень мало черных дыр.

GW200220_061928 также интересна тем, что по крайней мере одна из черных дыр, участвующих в слиянии, попадает в то, что мы называем верхним разрывом масс. Согласно нашим моделям, черные дыры массой более 65 солнечных масс не могут образоваться из одной звезды, как это делают черные дыры звездной массы.

Это происходит потому, что звезды-предшественницы настолько массивны, что их сверхновые - известные как сверхновые с парной нестабильностью - должны полностью уничтожить звездное ядро, не оставив ничего, что могло бы гравитационно схлопнуться в черную дыру.

Это позволяет предположить, что черная дыра массой 87 солнечных масс может быть продуктом предыдущего слияния. GW200220_061928 - не первое событие, в котором участвует черная дыра в верхнем интервале масс, но его обнаружение позволяет предположить, что иерархические слияния черных дыр - не редкость.

И еще одно событие включает объект в нижнем массовом промежутке - промежутке черных дыр от 2,5 до 5 раз больше массы Солнца. Мы не нашли ни нейтронной звезды больше первой, ни черной дыры меньше второй; событие под названием GW200210_092254 включает объект с массой 2,8 солнечных масс. Астрономы пришли к выводу, что это, скорее всего, очень маленькая черная дыра.

"Взгляд на массы и вращения черных дыр в этих бинарных системах показывает, как эти системы вообще оказались вместе", - сказал Скотт.

"Это также поднимает некоторые действительно интересные вопросы. Например, была ли система изначально образована двумя звездами, которые прошли через свои жизненные циклы вместе и в итоге стали черными дырами? Или две черные дыры столкнулись в очень плотной динамической среде, например, в центре галактики?".

В трех других событиях из 35 участвовали черная дыра и что-то другое, гораздо менее массивное, вероятно, нейтронная звезда. Эти события представляют большой интерес для астрономов, поскольку они могут показать, что находится внутри нейтронной звезды - если мы когда-нибудь обнаружим такую звезду, излучающую свет. Обнаружив больше таких слияний, мы сможем лучше понять, как они происходят на самом деле.

"Только сейчас мы начинаем ценить удивительное разнообразие черных дыр и нейтронных звезд", - говорит астроном Кристофер Берри из Университета Глазго (Великобритания).

"Наши последние результаты доказывают, что они бывают разных размеров и в разных комбинациях - мы разгадали некоторые давние тайны, но и открыли несколько новых загадок. Используя эти наблюдения, мы приблизились к разгадке тайн того, как эволюционируют звезды, строительные блоки нашей Вселенной".

Работа команды была подана на публикацию и доступна на сервере препринтов arXiv.