Сияние тьмы: астрономы впервые зарегистрировали свет от столкновения черных дыр

На прошлой неделе исследователи из 17 научных учреждений сообщили о важном открытии. Впервые в истории астрономы наблюдали вспышку света, вызванную столкновением двух черных дыр. Этот результат может стать новым окном в природу этих экзотических и плохо поддающихся наблюдению объектов — если, конечно, сенсация подтвердится, в чем у некоторых экспертов есть серьезные сомнения.

Как мы видим черные дыры

Черные дыры потому и называются черными, что не испускают света (как и других электромагнитных волн). Поэтому обнаружить черную дыру — отдельная проблема для наблюдателей.

Хорошо заметны лишь черные дыры, окруженные облаком газа. Мощная гравитация небесного тела заставляет окружающее вещество падать на него плотным потоком. При этом материя раскаляется и ярко сияет в разных диапазонах, от радиоволн до рентгеновских лучей. Излучение испускается до того, как вещество упадет за горизонт событий (границу, из-за которой не может вырваться даже свет), поэтому оно и достигает земных телескопов. Именно благодаря такой иллюминации ученые знают, что в центре практически любой галактики присутствует сверхмассивная черная дыра массой от сотен тысяч до миллиардов солнечных.

Гораздо более неуловимы черные дыры массой в десятки солнц, которые образуются при взрывах сверхновых. Обычно поблизости от них просто нет запасов вещества, которое они могли бы интенсивно поглощать, обеспечивая себе подсветку. Именно поэтому наблюдатели пока насчитали в Галактике лишь несколько десятков черных дыр звездной массы. Наблюдения последних лет обещают расширить этот список до сотен, но и это капля в море: по теоретическим оценкам, в Млечном Пути их должны быть сотни миллионов. Стоит ли говорить, что при такой скудности наблюдательных данных изучать эти небесные тела крайне трудно.

Гравитационное зрение

Новый способ изучать черные дыры появился благодаря детекторам гравитационных волн.

Теоретически  гравитационную волну вызывает любое тело, обладающее массой и движущееся с ускорением, даже упавшая на стол шариковая ручка. Такая волна должна раскачивать все предметы, которых она достигает, однако практически эти волны так слабы, что их невозможно заметить. Только такие масштабные катаклизмы, как столкновения черных дыр и нейтронных звезд, вызывают волны, которые по крайне мере можно обнаружить, и то на пределе технических возможностей человечества.

Детекторы гравитационных волн представляют собой настоящее чудо инженерного искусства. Они фиксируют смещение чувствительных элементов на величину, которая меньше радиуса протона, и столь слабый  сигнал не только обнаруживается, но и анализируется. По нему можно определить, например, массы столкнувшихся черных дыр. Это большое подспорье для астрономов: ведь столкновение невидимых в телескопы объектов тоже невидимо.

Первые гравитационные волны были зафиксированы в 2015 году в рамках проекта LIGO, предложенного американским физиком Кипом Торном и обошедшегося в $365 млн. За пять лет, прошедших с этого момента, такие наблюдения перестали быть сенсацией. Теперь они попадают в заголовки новостей, только если удалось обнаружить нечто из ряда вон выходящее — как в этот раз.

Увидеть невидимое

Гравитационный всплеск GW190521g был зафиксирован 21 мая 2019 года обоими действующими детекторами LIGO и VIRGO. На первый взгляд он ничем не выделялся из ряда подобных событий. Две черные дыры массой в несколько десятков солнц каждая столкнулись и слились в одну черную дыру массой порядка ста солнц.

Необычным было место столкновения (его координаты можно определить, сравнивая сигнал с разных детекторов, хотя и не очень точно). Дело в том, что именно в этой области неба находится квазар J1249+3449.

Квазар — это сверхмассивная черная дыра, окруженная особенно плотным облаком падающего на нее газа. Этот поток падающей материи превращает квазары в практически самые мощные источники излучения во Вселенной (как бы это ни было парадоксально для черной дыры).

Что если столкновение двух черных дыр звездной массы произошло прямо в облаке газа, окружающем сверхмассивный центральный объект? Тогда это вещество могло бы обеспечить заметную в телескопы вспышку. Ведь столкновение черных дыр в облаке газа может нагреть его до свечения. Ещё до открытия теоретики предложили целый ряд сценариев того, как это может произойти.

И вспышка действительно  была. Ее обнаружили благодаря оптическому телескопу ZTF, который и предназначен для регистрации разного рода вспышек (для этого он регулярно фотографирует большую область неба).

Квазар J1249+3449 и без того виден в оптические телескопы. Но через несколько дней после гравитационного всплеска GW190521g он внезапно увеличил яркость. Она постепенно возвращалась к норме в течение целого месяца.

Что это было?

Авторы новой статьи предполагают следующий сценарий. В облаке вещества, окружающем сверхмассивную черную дыру, находилась пара черных дыр звездной массы. Отметим, что в этом нет ничего необычного. Огромная гравитация сверхмассивного объекта должна собирать вокруг него целый рой этих небесных тел.

В какой-то момент члены этой пары столкнулись и слились (это событие и породило гравитационные волны). Образовавшаяся при этом новая черная дыра в момент рождения получила мощный толчок. Он заставил ее буквально пробить окружающее облако газа насквозь и вылететь из него.

Объект, пролетевший сквозь облако вещества, вызвал в нем ударную волну. Энергия этой ударной волны и нагрела материю, заставив ее светиться. Такой нагрев должен был произойти не сразу, а через несколько дней после самого столкновения, что и наблюдалось.

Конечно, исследователи не сбрасывают со счетов и альтернативные объяснения. Наблюдавшаяся вспышка могла иметь другую природу и случайно совпасть с GW190521g во времени и пространстве.

Так, квазары не являются абсолютно стабильными источниками света. Их яркость слегка колеблется, в том числе и в виде вспышек. Не исключено, что именно такое событие и зафиксировал телескоп. Кроме того, сверхмассивная черная дыра могла разорвать и поглотить неудачно подвернувшуюся звезду (подобный процесс тоже сопровождается вспышкой). Есть и другие возможности.

Однако авторы статьи рассчитали вероятность подобных совпадений и заключили, что она крайне мала (менее 0,1%).

Если открытая вспышка действительно вызвана столкновением черных дыр звездной массы, то наблюдения в оптические телескопы могут стать новым методом исследования таких катаклизмов (правда, лишь тех, которые происходят в облаках вещества). А значит, астрономы получат больше возможностей для изучения этих экзотических объектов.

Тем не менее у некоторых специалистов есть серьезные сомнения в том, что такой сценарий реалистичен. «Предложенная авторами модель выглядит несколько сомнительно, — утверждает доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Физического института РАН и приглашенный научный сотрудник факультета прикладной математики и теоретической физики Кембриджского университета Павел Иванов. — Дело в том, что заявленная мощность вспышки на несколько порядков больше, чем мог бы дать какой бы то ни было газодинамический процесс, связанный с черной дырой массой порядка ста масс Солнца».

Другими словами, никакие движения газа, вызванные родившейся в результате столкновения черной дырой, не могли породить настолько мощной вспышки. Значит, она имела иную природу, а совпадение с гравитационным всплеском — случайность, каким бы маловероятным ни считали такой сценарий авторы исследования.

Кто прав в этом споре, покажет только время. Разумеется, публикация в самом престижном в мире физическом журнале Physical Review Letters — это очень веская причина отнестись к выводам авторов всерьез. Но даже в самых авторитетных журналах иногда публикуются статьи с ошибочными результатами. Говорить об открытии как о свершившемся факте можно будет, только если его признает мировое экспертное сообщество. А для этого, вполне возможно, понадобятся новые наблюдательные данные.

Возможно, их не придется долго ждать. По расчетам исследователей (если их модель все-таки верна), через несколько лет такая вспышка должна произойти еще раз. Это случится, когда вылетевшая из облака черная дыра вернется в него под действием гравитации сверхмассивного центрального объекта. Если в этот раз астрономы наведут на квазар крупные телескопы, они смогут изучить явление подробнее и окончательно установить его природу.