В конце 2024 года, с разницей всего в месяц, ученые поймали два сигнала от далеких столкновений черных дыр. Оба события помогают лучше понять, как устроены самые необычные космические катаклизмы и эволюционируют черные дыры. Кроме того, данные блестяще подтвердили то, что Альберт Эйнштейн предсказал больше ста лет назад, а еще открыли дорогу к поиску новых элементарных частиц — тех, что теоретически могут выкачивать энергию из черных дыр.

В журнале The Astrophysical Journal Letters вышла статья международного сотрудничества LIGO-Virgo-KAGRA. Ученые рассказали о двух гравитационно-волновых событиях, замеченных в октябре и ноябре прошлого года. Оба отличались необычным вращением черных дыр.

Гравитационные волны — это рябь в ткани пространства-времени. Самые сильные волны рождаются при столкновении черных дыр. Первое слияние, которое назвали GW241011, случилось 11 октября 2024 года примерно в 700 миллионах световых лет от нас. Столкнулись две дыры: одна массой около 20 солнц, другая — примерно 6 солнц. Более крупная из них оказалась одной из самых быстро вращающихся черных дыр, какие только попадались ученым.

Почти через месяц, 10 ноября 2024 года, зарегистрировали GW241110. Это событие произошло уже в 2,4 миллиарда световых лет. Там столкнулись черные дыры массой примерно 17 и 8 солнц. Обычно у наблюдаемых дыр направление вращения совпадает с направлением их движения по орбите. А вот в GW241110 главная дыра крутилась в противоположную сторону. Такого раньше не видели ни разу.

Один из авторов, Карл-Йохан Хастер из Университета Невады в Лас-Вегасе, говорит: каждый новый сигнал — это не просто астрофизическое открытие, а еще и лаборатория для проверки фундаментальных законов физики. Такие двойные системы предсказывали, но прямое доказательство их существования ученые получили только сейчас.

Эйнштейн впервые предсказал гравитационные волны в 1916 году в рамках общей теории относительности. Их существование доказали еще в 1970-х, но напрямую зарегистрировали только десять лет назад — тогда обсерватория LIGO поймала сигнал от слияния черных дыр. Сейчас сеть LIGO-Virgo-KAGRA проводит четвертый сезон наблюдений. Он начался в конце мая 2023 года и должен продлиться до середины ноября этого года. На сегодня поймали около трехсот слияний черных дыр, включая кандидатов из текущего сезона.

Оба события — GW241011 и GW241110 — показывают, как быстро развивается гравитационно-волновая астрономия. Ученые теперь могут разбирать свойства сливающихся дыр буквально по косточкам. И оба сигнала указывают на возможность существования «черных дыр второго поколения».

Стивен Ферхерст из Кардиффского университета, представитель научной коллаборации LIGO, называет эти события одними из самых необычных среди нескольких сотен, что удалось наблюдать. В обоих случаях одна черная дыра заметно тяжелее другой и быстро вращается. Это сильный намек на то, что эти дыры сами когда-то образовались из предыдущих слияний.

Ученые обратили внимание на две странности.

• Первая — разница в размерах: более крупная дыра почти вдвое массивнее меньшей.
• Вторая — необычное направление вращения.

Естественное объяснение — иерархические слияния. То есть черные дыры образуются в густонаселенных местах, например в звездных скоплениях, где они чаще сталкиваются и сливаются снова и снова.

Томас Каллистер из Колледжа Уильямса (соавтор статьи) говорит, что эти два слияния дали ученым самые захватывающие подсказки о прошлой жизни черных дыр. Оказывается, некоторые из них живут не изолированными парами, а в плотных и динамичных компаниях. Дальше ученые надеются разобраться, что это за компании и как они устроены.

Сигнал GW241011 был настолько четким, что позволил проверить предсказания Эйнштейна и математика Роя Керра о вращающихся черных дырах в самых экстремальных условиях. Быстрое вращение слегка деформирует черную дыру, и эта деформация оставляет характерный след в гравитационных волнах. Команда проанализировала сигнал и нашла отличное совпадение с решением Керра. Эйнштейн снова подтвердился с беспрецедентной точностью.

Кроме того, из-за большой разницы масс дыр в сигнале GW241011 прозвучал «обертон» — высшая гармоника, как у музыкальных инструментов. Такое ученые видели всего третий раз. Одна из гармоник была настолько четкой, что добавила еще один плюс в копилку общей теории относительности.

Хастер подчеркивает:

Мощный сигнал в сочетании с экстремальными свойствами дыр дал уникальный инструмент для проверки наших знаний о черных дырах. Теперь точно ясно, что черные дыры имеют форму, предсказанную Эйнштейном и Керром.

А значит, ученые стали чувствительнее к любой новой физике, которая может скрываться за пределами теории Эйнштейна.

Быстро вращающиеся черные дыры нашли еще одно применение — в физике элементарных частиц. С их помощью можно проверять, существуют ли гипотетические легкие частицы — ультралегкие бозоны — и какова их масса. Некоторые теории за пределами Стандартной модели предсказывают такие частицы. Если они существуют, то способны вытягивать вращательную энергию из черных дыр. Сколько энергии вытянется и насколько замедлится вращение — зависит от массы этих частиц.

Наблюдение показало: массивная черная дыра из события GW241011 продолжает быстро крутиться, даже спустя миллионы или миллиарды лет после своего рождения. Это автоматически исключает широкий диапазон возможных масс ультралегких бозонов.

Уильям Ист из Perimeter Institute (соавтор) помогал проверять, нет ли там этих частиц. Он объясняет:

Если ультралегкие частицы с определенной массой существуют, они самопроизвольно образуют облака вокруг вращающихся черных дыр. Эти облака растут и постепенно замедляют вращение дыры. Раз дыра не замедлилась, значит, таких частиц в этом диапазоне масс нет.

Джо Джаим, глава обсерватории LIGO в Ливингстоне, отмечает: инженеры и ученые LIGO последние годы улучшали детекторы. Это позволило так точно измерить слияний и разглядеть тонкие эффекты, нужные для анализа GW241011 и GW241110. Чем выше чувствительность, тем больше сигналов ловит LIGO и тем глубже ученые понимают каждый из них.

Тамара Евстафьева (постдок из Perimeter, стипендиатка имени Веры Рубин) называет GW241011 идеальной лабораторией для проверки природы компактных объектов. Компактные объекты — это остатки звезд, черные дыры и нейтронные звезды. Но есть еще гипотетические экзотические компактные объекты. У них нет ни сингулярности, ни горизонта событий. Это теоретические заменители черных дыр — целый зоопарк разных видов. Евстафьева проверяла природу объекта через спиновый квадрупольный момент — эффект, который меняется в зависимости от того, с чем мы имеем дело. Благодаря высокому качеству сигнала команда смогла исключить большую часть моделей бозонных звезд — они не объясняли GW241011.

Это событие оказалось исключительным еще и потому, что его сигнал был очень сильным. Он выделялся на фоне любых помех. По словам Евстафьевой, GW241011 — третье по громкости гравитационно-волновое событие в каталоге.

В сентябре этого года LIGO отпраздновало десятилетие. Уильям Ист говорит, как же удивительно физики прошли путь от первого обнаружения до точных измерений. Сначала были единичные события, теперь — большие каталоги, и можно заниматься статистикой популяций. Луис Ленер (кафедра имени Карло Фидани и Райнера Вайса в Perimeter) добавляет: за десять лет перешли от одного события к трем сотням. Появляются особенные случаи, но скоро главным станет анализ всей популяции — это даст новые способы проверять общую теорию относительности и понимать, как формируются черные дыры.

Особенность LIGO в том, что кандидаты в гравитационные волны доступны всем — от астрофизиков до обычных людей. Ленер замечает: раньше у астрофизиков такого не было. Наводишь телескоп, скрещиваешь пальцы — повезет или нет. Вселенная очень интересная, так что обычно везет. Но впервые появился посыльный, который может сказать: наводи телескоп туда-то. Это необыкновенно.

Практическая польза здесь лежит в двух плоскостях.

Для дальнейших исследований: событие GW241011 стало своего рода камертоном. Ученые теперь знают, как выглядит идеальный сигнал от вращающейся черной дыры с асимметричными массами. Это позволяет откалибровать модели и искать отклонения от общей теории относительности там, где сигнал слабее или зашумлен. Исключение целого диапазона масс ультралегких бозонов сужает круг поисков новых частиц — вместо того чтобы перебирать вслепую, экспериментаторы могут сосредоточиться на оставшихся окнах. Кроме того, доказательство существования иерархических слияний меняет представления о динамике звездных скоплений и о том, как растут черные дыры.

• Первое, за что работу хочется критиковать: ученые слишком уверенно говорят об «исключении» ультралегких бозонов. На самом деле они исключили только определенный диапазон масс для конкретного типа частиц. Остаются другие массы, другие типы бозонов, а также возможность, что частицы просто не образуют облака вокруг черных дыр из-за неизвестных взаимодействий. То есть вывод сильнее, чем позволяют данные.
• Второй момент: оба события — единичные случаи. Одно слияние с обратным вращением и одно с рекордным вращением — это пока не статистика. Ученые говорят о «первом прямом доказательстве», но с таким же успехом это могут быть редкие флуктуации или особенности именно этих двух систем. Чтобы уверенно говорить о популяциях черных дыр с обратным вращением, нужно хотя бы несколько десятков подобных событий.

Ранее ученые выяснили, насколько большими могут быть сверхмассивные черные дыры.