Уявіть собі космічну оперу, в якій головними героями виступають космічні гіганти, здатні викривляти сам простір і час. Нещодавно LIGO (лазерно-інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія) зафіксувала зіткнення двох чорних дір, настільки колосальне, що воно змушує переглянути фундаментальні уявлення про формування і злиття масивних чорних дір.
Невагомі маси і запаморочлива швидкість обертання
Маси обох чорних дір вражають уяву: одна з них важить в 140 разів більше сонця, а інша – близько 100 сонячних мас. І це ще не все! Обидві чорні діри оберталися з майже максимальною швидкістю, передбаченою фізичними законами. “Ми вважаємо, що утворення чорних дір з такими колосальними масами за стандартним механізмом колапсу зірки-малоймовірно”, – пояснює Марк Ханнам, фізик з Кардіффського університету, який активно бере участь в роботі LIGO.
Відлуння злиття: гравітаційні хвилі як свідок катастрофи
Подія була зафіксована 23 листопада 2023 року завдяки чутливим детекторам LIGO, розташованим в Хенфорді (штат Вашингтон) і Лівінгстоні (штат Каліфорнія). Вчені змогли відстежити всю послідовність подій: спіральне зближення чорних дір, їх стрімке злиття і, як наслідок, потужний викид гравітаційних хвиль – спотворень простору-часу. В результаті зіткнення утворилася чорна діра, чия маса перевищує масу Сонця в 225 разів.
Пролом в теорії: “заборонена маса” і нові питання
Існує так званий “розрив маси” – діапазон мас чорних дір (від 60 до 130 сонячних мас), для яких зазвичай не передбачається утворення в результаті колапсу зірок. Якщо ж чорна діра потрапляє в цей діапазон, це ставить під сумнів звичні моделі еволюції зірок. Вчені вважають, що принаймні одна з нещодавно виявлених чорних дір знаходиться саме в цьому “забороненому” діапазоні, а, можливо, і обидві.
Розгадка таємниці: еволюція чорних дір
Ілюстрація: дві чорні діри об’єдналися, утворивши більшу чорну діру (маси обведені чорними колами, горизонтальні лінії вказують на невизначеність). Маси чорних дір перекриваються “розривом мас” (жовтий), де, як вважають, чорні діри не утворюються безпосередньо з вмираючих зірок. І чорні діри більш масивні, ніж ті, що були помічені раніше. Розподіл мас чорних дір, визначений за результатами попередніх зіткнень чорних дір (синій), охоплює менший діапазон мас.
Щоб пояснити цю аномалію, вчені розглядають різні сценарії. Однією з версій є гіпотеза про” генеалогічне дерево ” чорних дір. Згідно з нею, обидві чорні діри утворилися в результаті злиття менших чорних дір у попередніх поколіннях. Подібні повторні злиття можуть відбуватися в щільних скупченнях зірок і чорних дір, приводячи до утворення швидко обертаються гігантів, подібних виявленим.
Обертання, що кидає виклик моделям
Кожна чорна діра має максимальну швидкість обертання, що залежить від її маси. У разі виявлених чорних дір швидкість обертання однієї з них досягала 90% від максимальної, а інший – близько 80%. Ці показники є одними з найвищих, коли-небудь зафіксованих LIGO. “Таке високе обертання підвищує ймовірність повторного злиття”, – зазначає Ханнам.
Однак, існують і невирішені питання. Якби чорні діри утворилися в результаті еволюції в “родинному дереві”, це вимагало б кількох поколінь предків, що може не відповідати спостережуваним параметрам обертання. Альтернативно, чорні діри могли утворитися поблизу надмасивної чорної діри в активному ядрі галактики, де вони поглинали газ, збільшуючи масу. Однак і цей сценарій викликає питання, оскільки не пояснює їх узгоджене обертання.
Перспективи та подальші дослідження
“Ця подія не має чіткої та очевидної відповідності жодному з основних механізмів формування”, – підсумовує Коул Міллер з Університету Меріленда. Незважаючи на труднощі інтерпретації, виявлення настільки масивних чорних дір відкриває нові горизонти в астрофізиці. Вчені сподіваються, що подальші дослідження і розробка більш досконалих моделей дозволять розкрити таємниці формування цих космічних титанів і глибше зрозуміти закони, що керують Всесвітом.
Більше того, аналіз попередніх даних LIGO виявив докази п’яти зіткнень, що призвели до утворення чорних дір з масами, що в 100-300 разів перевищують масу Сонця. Це відкриття свідчить про існування популяції чорних дір, про яку раніше не підозрювали, і підкреслює необхідність подальших досліджень для більш повного розуміння Всесвіту.
