Большая международная группа астрономов отчиталась в журнале Astrophysical Journal Letters о первых наблюдениях за столкновением и слиянием черной дыры с нейтронной звездой. Два подобных события были зафиксированы с разницей всего 10 дней. Подробное изучение этих катаклизмов может многое рассказать о самых экзотических объектах во Вселенной.
Черная дыра была застигнута за поглощением нейтронной звезды
Когда пространство волнуется
Нейтронные звезды и черные дыры — вероятно, самые необычные объекты во Вселенной. Первые отличаются чудовищной плотностью: при массе порядка солнечной они имеют диаметр в считанные километры. Кубический сантиметр такого вещества весит сотни миллионов тонн. У вторых плотность вообще теоретически бесконечна, так что у них даже поверхности нет, а есть горизонт событий — граница невозврата, из-за которой не может вырваться даже свет.
Ученым очень далеко до того, чтобы воспроизвести что-нибудь подобное в лаборатории. Зато эти объекты, возникшие на испытательных полигонах самой природы, дают физикам возможность проникнуть в самые глубокие свойства материи. Свой интерес и у астрономов, ведь нейтронные звезды и черные дыры — это остатки светил, взорвавшихся как сверхновые. Изучая их, можно многое узнать о том, как рождаются, живут и умирают звезды.
В 2015 году в исследовании этих сгустков сверхплотной материи была открыта новая глава — впервые были зафиксированы гравитационные волны от столкновения двух черных дыр.
Гравитационная волна — это колебание пространства-времени, которое слегка меняет расстояния между предметами. Если такая волна накроет нас за утренним кофе, стол, за которым мы сидим, будет периодически становиться то ближе, то дальше. И это даже трудно будет назвать движением в обычном смысле: будет меняться сама дистанция между двумя точками в пространстве.
Правда, мы этого не почувствуем. Изменения расстояний незаметны даже в микроскоп, потому что гравитационные волны необычайно слабы. Идея приборов, все же способных их фиксировать, была выдвинута советскими учеными Михаилом Герценштейном и Владиславом Пустовойтом еще в 1960-х, но лишь полвека спустя технологии развились достаточно, чтобы осуществить этот замысел.
Заглянуть во тьму: как устроена черная дыра
Расположенная в США пара детекторов LIGO регистрирует изменение расстояний на величину, которая много меньше диаметра протона. Этот дуэт, обошедшийся в $365 млн, настолько чувствителен, что фиксирует даже квантовые шумы, не говоря уж о таких «огромных» воздействиях, как движение молекул в деталях прибора. Третий и пока последний действующий детектор гравитационных волн — расположенный в Италии VIRGO. Еще один подобный инструмент под названием KAGRA строится в Японии.
Теоретически гравитационные волны порождает любое тело, движущееся с ускорением, так что окружающее пространство буквально переполнено ими. На практике даже такие шедевры инженерной мысли, как LIGO и VIRGO, фиксируют лишь самые мощные гравитационные всплески, порожденные масштабными космическими катастрофами — столкновениями черных дыр или нейтронных звезд.
Давным-давно в далекой галактике
На сегодняшний день обнаружены уже десятки всплесков гравитационных волн. Почти все порождены столкновениями черных дыр друг с другом, в результате которых они сливаются в единую черную дыру. Физики очень ценят эти наблюдения. Благодаря им, например, совсем недавно подтвердилось теоретическое предсказание Стивена Хокинга, что площадь горизонта событий никогда не уменьшается, что бы ни происходило с черной дырой.
Большим открытием стало первое столкновение двух нейтронных звезд, зафиксированное в 2017 году. Подобные «ДТП», в отличие от столкновений черных дыр, порождают не только гравитационные волны, но и вспышку, которую можно наблюдать в телескопы. Астрономы изучили это событие во всех возможных диапазонах, от радиоволн до гамма-лучей, и выяснили много интересного. Правда, специалисты до сих пор спорят, что же получилось при слиянии двух столкнувшихся объектов — нейтронная звезда или черная дыра.
Не хватало лишь гибридного варианта: столкновения нейтронной звезды с черной дырой, при котором участники «ДТП» сливаются и превращаются в новую черную дыру. Правда, однажды наблюдалось слияние черной дыры с телом, о котором трудно было сказать наверняка, является оно нейтронной звездой или черной дырой. Это случилось 14 августа 2019 года. Эксперты были почти уверены, что в черную дыру врезалась именно звезда, СМИ запестрели заголовками, но в итоге выяснилось, что небесное тело было подозрительно массивным, на грани возможного для нейтронной звезды. Так что, вполне возможно, это была все-таки черная дыра, пусть и самая легкая в истории наблюдений.
Теперь же астрономы объявили сразу о двух событиях, которые надежно классифицируются как гибридные. Удивительно, но они были обнаружены друг за другом с разницей всего в 10 дней. Первый всплеск гравитационных волн достиг Земли 5 января 2020 года, а второй — 15 января. По традиции, эти события обозначили GW200105 и GW200115. Здесь GW означает «гравитационные волны» (gravitational waves), а цифры маркируют дату события.
Всплеск GW200105 был вызван тем, что нейтронная звезда массой от 1,7 до 2,2 солнечной столкнулась и слилась с черной дырой массой от 7,4 до 10,1 солнечной. Это произошло в 550–1270 млн световых лет от Земли. Для сравнения: расстояние от Млечного Пути до галактики Андромеды составляет всего 2,5 млн световых лет. Даже при минимальной оценке дистанции получается, что по земному времени катастрофа произошла еще до наступления палеозойской эры. И только теперь гравитационные волны достигли Земли, при том, что они движутся со скоростью света.
Сияние тьмы: астрономы впервые зарегистрировали свет от столкновения черных дыр
Ученые не могут точно сказать, где именно случился древний катаклизм. Во время наблюдения был включен лишь один из пары детекторов LIGO, а для менее чувствительного VIRGO сигнал оказался слишком слабым. Поэтому направление на источник сигнала было определено не слишком точно. Область неба, в которой он мог бы находиться, по площади в 34 тысячи раз больше полной Луны.
А вот всплеск GW200115 «видели» все три действующих детектора, так что «подозрительный» участок неба куда меньше — всего 2900 полных лун. В этом катаклизме нейтронная звезда массой 1,2–2,2 солнечной врезалась в черную дыру массой от 3,6 до 7,5 солнечной. А случился он в 650–1470 млн световых лет от Земли.
У экспертов нет единого мнения, порождает ли столкновение черной дыры с нейтронной звездой видимую вспышку. Несколько телескопов прозондировали области неба, из которых пришли сигналы GW200105 и GW200115, но не нашли ничего примечательного.
Зато благодаря долгожданному открытию специалисты оценили, как часто происходят подобные катаклизмы. Оказалось, что это воистину редкие птицы. В кубе пространства с ребром в один гигапарсек (3,26 млрд световых лет!) случается лишь от 10 до 120 подобных катастроф в год. Правда, это если считать, что измеренные в событиях GW200105 и GW200115 массы типичны для участников столкновений «нейтронная звезда + черная дыра». Допуская более широкий диапазон масс, ученые получили чуть более оптимистичные оценки: от 60 до 240 катаклизмов.
Теперь исследователям предстоит подробно изучить данные, собранные о гравитационных всплесках GW200105 и GW200115. Возможно, они расскажут о свойствах черных дыр или нейтронных звезд что-нибудь новое и интересное.
Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора