Чёрные дыры устроили космический танец: учёные впервые зафиксировали необычное явление

С тех пор как в 2015 году обсерватории LIGO и Virgo впервые зафиксировали гравитационные волны, учёные открыли новое окно в наблюдение за самыми мощными событиями во Вселенной — слияниями чёрных дыр. Каждое из таких открытий позволяет узнать больше не только о самих источниках волн, но и о космической среде, где они формируются. Недавний анализ события GW200208 222617 дал исследователям неожиданный результат: всё указывает на то, что столкновение произошло в плотном скоплении, где чёрные дыры находятся так близко друг к другу, что неизбежно вступают во взаимное гравитационное "взаимодействие".

Что обнаружили детекторы LIGO и Virgo

Слияния чёрных дыр фиксируются по мельчайшим изменениям длины лазерного луча, возникающим, когда через Землю проходит гравитационная волна. Эти волны искажают само пространство-время, и, хотя эффект невероятно мал — меньше диаметра протона, — современные приборы способны его уловить.

Событие GW200208 222617, зарегистрированное несколько лет назад, сразу привлекло внимание астрономов. Его источник находился на расстоянии от 8 до 13 миллиардов световых лет, а итоговый объект после слияния имел массу примерно 20 Солнц. Однако главным сюрпризом стали не параметры массы, а форма орбит столкнувшихся тел.

Вытянутые орбиты — редкость среди чёрных дыр

Большинство пар чёрных дыр, которые сливаются и излучают гравитационные волны, движутся по почти круговым орбитам. Со временем гравитационное взаимодействие между ними "округляет" траекторию, снижая эксцентриситет (вытянутость). Но в случае GW200208 222617 орбиты оказались заметно вытянутыми. Это необычное свойство требует объяснения.

"Мы обнаружили, что орбиты перед слиянием были не круговыми, а вытянутыми, что указывает на влияние третьего тела", — подчеркнули исследователи из Кардиффского университета.

Если две чёрные дыры столкнулись случайно, без предварительного вращения друг вокруг друга, шанс такого совпадения ничтожно мал. Значит, на их траектории должно было влиять что-то ещё - третье массивное тело или даже целая группа объектов.

Где происходят такие столкновения

Астрофизики рассмотрели несколько сценариев:

1. Активное ядро галактики - область вокруг сверхмассивной чёрной дыры, где плотность материи огромна. Однако расчёты показали, что форма орбит GW200208 222617 не соответствует таким условиям.

2. Тройная система - возможен вариант, когда три звезды превращаются в три чёрные дыры и одна из них нарушает орбиту двух других.

3. Плотное шаровое скопление - область, где миллионы звёзд и чёрных дыр вращаются на малых расстояниях друг от друга. Именно этот вариант оказался наиболее вероятным.

В таких скоплениях близкие прохождения тел происходят часто, и орбиты могут быть "возмущены" гравитацией соседей. Это объясняет вытянутую форму орбит и повышенную частоту столкновений.

Связь с гипотезой о тёмной материи

Ещё несколько лет назад некоторые учёные предположили, что тёмная материя может состоять из так называемых "первичных" чёрных дыр — образовавшихся вскоре после Большого взрыва. Если подобные объекты действительно существуют, они могли бы собираться в плотные скопления, невидимые для обычных телескопов.

Открытие события GW200208 222617 может косвенно указывать на то, что такие "тёмные" скопления действительно есть. Ведь в обычных областях галактик, где плотность объектов мала, вытянутые орбиты практически не возникают.

Как формируются орбиты чёрных дыр

Чтобы понять, почему форма орбиты так важна, учёные сравнивают её с движением планет. Когда тела вращаются вокруг общего центра масс долго и стабильно, их траектории становятся круглыми. Но если в систему вмешивается третье тело, орбита искажается.

Такое сравнение помогает отличить "спокойные" двойные системы от хаотичных столкновений в плотных регионах.

Зачем это важно для астрофизики

Сами по себе гравитационные волны не дают изображения слияния — только сигнал, по которому можно судить о массе, энергии и частично об орбите. Но если удаётся определить, что орбита была вытянутой, это раскрывает информацию о среде происхождения чёрных дыр.

Астрофизики считают, что до половины всех подобных событий может происходить именно в шаровых скоплениях. Такие области — идеальная "кузница" чёрных дыр, образующихся из массивных звёзд.

Плюсы и минусы гипотезы

Как развиваются исследования

Новые данные от обсерваторий LIGO, Virgo и KAGRA помогут выявить больше событий с вытянутыми орбитами. Если таких случаев окажется немало, это подтвердит, что многие слияния происходят не в изолированных парах, а в плотных звёздных или даже "тёмных" скоплениях.

Кроме того, будущие обсерватории вроде LISA (запуск которой планируется в 2030-х годах) смогут регистрировать низкочастотные гравитационные волны от более массивных систем. Это позволит "увидеть" процесс слияния ещё до его финальной стадии и точнее понять, в каком окружении он разворачивается.

Интересные факты

1. Гравитационные волны были предсказаны Альбертом Эйнштейном в 1916 году, но их обнаружили только через сто лет.

2. Событие GW150914 стало первым подтверждённым слиянием чёрных дыр — сигнал длился менее четверти секунды.

3. По оценкам, во Вселенной каждую минуту происходит несколько подобных слияний, но мы фиксируем лишь малую их часть.

Исторический контекст

Первая детекция гравитационных волн в 2015 году стала поворотным моментом для астрофизики. С тех пор подтверждены десятки событий, каждое из которых добавляет штрих к портрету "гравитационной Вселенной". Случай GW200208 222617 выделяется на этом фоне: впервые орбиты чёрных дыр показали отчётливую вытянутость, что указывает на совершенно иные условия их образования.

Возможно, именно такие плотные скопления — "фабрики" чёрных дыр — станут ключом к разгадке не только их происхождения, но и природы самой тёмной материи.