Астрономы впервые поймали гравитационные волны от столкновения нейтронной звезды с черной дырой из «разрыва масс»

В конце 1990-х годов астрофизики изучили маломассивные рентгеновские двойные системы и обратили внимание на разрыв между массой самых больших нейтронных звезд и самых маленьких черных дыр. Нижняя граница разрыва определялась максимально возможной массой нейтронной звезды, образовавшейся после сверхновой. Верхняя — минимально возможной массой черной дыры, сформировавшейся от прямого коллапса ядра звезды. По наблюдениям получился диапазон примерно от трех до пяти солнечных масс.

Главная загвоздка в том, что этого «разрыва» на самом деле может и не быть. Во-первых, он мог появиться в собранных данных из-за особенностей работы инструментов и подбора целей для наблюдений. Во-вторых, причиной могут быть эволюционные особенности рентгеновских двойных. В-третьих, по теоретическим расчетам, минимальная возможная масса черной дыры — 2,2 солнечной массы.

Эти сомнения подкрепляются тем, что в последние годы астрономы нашли несколько кандидатов в маломассивные черные дыры в «спокойных» двойных системах, где объекты взаимодействуют друг с другом не так уж бурно, чтобы астрономы заметили их ранее. Также в начале 2024 года ученые рассказали об открытии возможной очень маломассивной черной дыры рядом с пульсаром.

Более того, потенциальные маленькие черные дыры уже попадались ученым среди событий, породивших зарегистрированные гравитационные волны: GW190814, GW200210_092254 и GW190917_114630. Правда, у всех у них массивные главные компоненты — уж точно черные дыры, а их маломассивные пары все же могли быть не дырами, а большими нейтронными звездами. В новом событии расстановка сил другая.

В конце мая 2023 года обсерватория LIGO Livingston поймала гравитационные волны GW230529_181500, или сокращенно GW230529. Проанализировав полученные данные, ученые пришли к выводу, что в слиянии участвовала нейтронная звезда примерно 1,4 солнечной массы и компактный объект от 2,4 до 4,5 солнечной массы — и тут это главный компонент! Препринт исследования выложен на сайте LIGO.

Приливное воздействие на нейтронную звезду в такой компактной паре теоретически оставляет свой «отпечаток» на исходящих гравитационных волнах. При этом у черной дыры «приливная деформируемость» равна нулю. Так происходит потому, что нейтронная звезда состоит из обычного (пусть и очень плотного) вещества, а оно может деформироваться. Черная дыра — область пространства, откуда не может вырваться свет, и граница этого пространства деформироваться не может — она попросту не состоит из обычной материи, это чисто гравитационный феномен.

С помощью компьютерной модели авторы новой работы проверили выведенные параметры объектов GW230529 в двух сценариях: слиянии черной дыры и нейтронной звезды, из которых только одна подвержена деформации, и слиянии нейтронных звезд, где оба объекта могут деформироваться.

Независимо от использованной модели ученым не удалось наложить ограничения на возможную деформацию малого объекта — нейтронной звезды, а вот у массивного объекта пик вероятности деформации пришелся на ноль. К сожалению, как отметили авторы, несмотря на моделирование и расчеты, маловероятно, что ученым вскоре удастся засечь следы приливного воздействия напрямую в гравитационных волнах: не хватит чувствительности инструментов.

В общем, с высокой вероятностью главный компонент GW230529 — рекордно маломассивная черная дыра, а пара целиком — самая «симметричная» по массе за всю историю наблюдений. «Симметричные» слияния больше подвержены приливному разрушению, а значит они должны «светиться» и в электромагнитном спектре. То есть астрономы могут «ловить» эти события не только по гравитационным волнам.

Важно, что GW230529 удалось поймать сразу после обновления LIGO. К сожалению, другие гравитационно-волновые обсерватории в тот момент не работали или же им не хватило чувствительности. Но главное, что это было самое начало четвертого цикла наблюдений.

«Помимо GW230529 мы уже выявили примерно 80 других перспективных кандидатов для дальнейшего изучения. Мы ожидаем, что к февралю 2025 года, когда закончится четвертый цикл наблюдений, мы пронаблюдаем более 200 сигналов гравитационных волн. Будущие открытия похожих событий, особенно если они будут сопровождаться всплесками электромагнитного излучения, могут стать ключом к решению этой загадки разрыва масс и помогут нам продвинуться в понимании Вселенной», — объяснил один из участников нового исследования Джеран Праттен (Dr. Geraint Pratten), научный сотрудник Института астрономии гравитационных волн из Бирмингемского университета (Великобритания).

Существует космологическая теория, предсказывающая, что практически вся темная материя состоит из черных дыр как раз из «разрыва масс». Однако ее разработчик уже отмечал, что чувствительность существующих гравитационно-волновых обсерваторий недостаточна для массовых регистраций таких объектов. Похоже, очередное обновление LIGO подвело чувствительность таких систем к уровню, когда они уже могут фиксировать хотя бы часть таких «реликтовых» черных дыр, имеющих, согласно такой теории, возраст больше Большого взрыва.