Ученые впервые отследили, куда полетела черная дыра после столкновения

Так же, как при выстреле из оружия происходит сильная отдача, столкновения черных дыр настолько мощны, что продукт их слияния может быть выброшен из галактики, в которой они находились. Ученые измерили гравитационное эхо одного из таких космических катаклизмов, и впервые определили, куда полетела новорожденная черная дыра.

В основу опубликованного в Nature Astronomy исследования легли данные сигнала гравитационных волн GW190412, зарегистрированного в 2019 году детекторами Advanced LIGO и Virgo. Обнаружено почти 300 таких отзвуков слияний черных дыр, но до сих пор не измерялись ни скорость, ни направление отдачи.

Как измерить отдачу черной дыры

Вид гравитационных волн, излучаемых конечной черной дырой в разных направлениях, сильно меняется, что позволяет понять, где именно мы находимся вокруг нее и, следовательно, узнать положение относительно направления ее отдачи. В свою очередь, Общая теория относительности Эйнштейна помогает точно определить направление отдачи, зная массу и направление вращения черных дыр. Таким образом, комбинируя оба компонента, можно узнать, куда направляется черная дыра и с какой скоростью.

«Давайте представим слияние черных дыр как оркестр, играющий на нескольких инструментах, но с одной особенностью: в зависимости от того, где мы находимся вокруг оркестра, мы слышим разные комбинации инструментов. Если у нас достаточно данных, мы можем точно определить, где мы находимся относительно него», — приводит аналогию профессор Хуан Кальдерон Бустильо из Галисийского института физики высоких энергий, руководитель исследования.

Команда пришла к выводу, что продукт слияния GW190412 был выброшен со скоростью более 50 километров в секунду — достаточной, чтобы выбросить его из любого шарового скопления. Измерили также углы его траектории относительно Земли, оси его орбиты и линии разделения дыр непосредственно перед слиянием. «Траектория составляет около 40 градусов относительно Земли, так что мы знаем, что в нас он не врежется», — уточняет Кальдерон Бустильо.

«Эта методика пришла нам в голову где-то в 2018 году, и мы показали, что она позволит нам измерять отдачу с помощью нынешних детекторов, в отличие от других идей, которые можно реализовать только с запуском космического детектора LISA, запланированным на 2030-е годы, — объясняет профессор. — В то время не было ни одного подходящего сигнала, но мы знали, что он в конце концов появится. Было очень волнительно, когда Advanced LIGO и Virgo обнаружили сигнал GW190412, и мы поняли, что, вероятно, сможем измерить отдачу... и у нас получилось!»

«Это одно из тех редких астрофизических явлений, где мы не только что-то обнаруживаем, но и воссоздаем все трехмерное движение объекта, находящегося за миллиарды световых лет, и делаем это, используя крошечные возмущения пространства-времени. Это невероятная демонстрация того, что позволяют нам делать гравитационные волны», — добавляет Коустав Чандра из Университета штата Пенсильвания, соавтор статьи.

Для чего нужны эти измерения

По словам исследователей, измерение направления этих отскоков открывает путь к изучению слияний черных дыр в недостижимых доселе подробностях.

«Когда две черные дыры сливаются в плотной среде, они могут производить электромагнитные сигналы — вспышки — по мере того, как конечная черная дыра проходит через эту среду и воспламеняет ее, как, например, в активном галактическом ядре», — пояснил физик Самсон Леонг из Китайского университета Гонконга, еще один соавтор.

Такие комбинации сигналов помогают понять эти среды с большой детализацией и даже измерить скорость расширения Вселенной.

«Поскольку видимость вспышки, произведенной слиянием черных дыр, зависит от ориентации отдачи относительно Земли, их измерение помогает различать реальные совпадения этих сигналов от тех, которые обусловлены просто случайностью», — заключил Леонг.