Головна / Всесвіт / Вперше виявлені гравітаційні хвилі від зіткнення чорної діри з нейтронною зіркою

Вперше виявлені гравітаційні хвилі від зіткнення чорної діри з нейтронною зіркою

Астрономи вперше стали свідками унікальної події: зіткнення чорної діри і нейтронної зірки. До цього моменту вчені взагалі не були впевнені, що такі катаклізми бувають. Відкриття зроблено завдяки детекторам гравітаційних хвиль LIGO і VIRGO.

Мова йде про подію S190814bv, зареєстровану 14 серпня 2019 року. Сигнал такий сильний, що ймовірність помилкового виявлення незначний. Подібний конфуз міг би статися приблизно один раз за 1025 років, що в тисячу трильйонів разів перевищує вік Всесвіту.

Судячи за характером прийнятих гравітаційних хвиль, з імовірністю понад 99% їх джерелом стало злиття чорної діри і нейтронної зірки. За підрахунками фахівців, воно відбулося в 900 мільйонів світлових років від Землі.

Ніколи раніше астрономам не вдавалося спостерігати подібну подію ні за допомогою гравітаційних хвиль, ні яким-небудь іншим чином.

Як уточнює видання ScienceAlert, до цього гравітаційні детектори фіксували лише одну подію, яка могла виявитися таким зіткненням. Але сигнал був дуже слабким, тому що це, швидше за все, був помилковий результат. І навіть якщо зіткнення було реальним, шанси на те, що з чорною дірою зіткнулася саме нейтронна зірка, а не інша чорна діра, складали лише 13%.

Крім того, після S190814bv в базі даних з’явилася інформація про подію S190816i, зареєстрована 16 серпня 2019 року. У неї є 83% шансів виявитися зіткненням нейтронної зірки і чорної діри, якщо спрацьовування детектора істинне. Але цей сигнал дуже слабкий і, швидше за все, являє собою помилкову тривогу.

А от у випадку S190814bv ймовірність помилкового спрацьовування, повторимо, практично нульова, тому що подія мала місце. Правда, залишається маленький (менше 1%) шанс, що воно було зіткненням двох чорних дір, і нейтронні зірки ні при чому. Цей малоймовірний сценарій теж цікавий, оскільки в цьому випадку одним з учасників «ДТП» була чорна діра рекордно малої маси (всього третина сонячної).

Впервые обнаружены гравитационные волны от столкновения чёрной дыры с нейтронной звездой
Галактика, в якій, імовірно, сталося зіткнення.
Ілюстрація UCSC Transients/Twitter.

Пояснимо, як відбуваються подібні зіткнення. Нейтронна зірка і чорна діра утворювали пару, що оберталися навколо загального центру мас. «Солодка парочка» випромінювала гравітаційні хвилі (невидимі для діючих детекторів) та з-за цього втрачала енергію. Тому небесні тіла поступово наближалися один до одного. Врешті-решт вони зіткнулися і злилися. У момент катаклізму і виникли гравітаційні хвилі, зафіксовані LIGO і VIRGO.

Це єдиний реалістичний сценарій, оскільки ймовірність, що поодинока чорна діра і поодинока нейтронна зірка зустрінуться і відразу зіштовхнулися «лоб в лоб», мізерно мала. Скоріше в результаті подібної зустрічі (яка сама по собі досить малоймовірна) і утворюється згадана подвійна система, і тільки через якийсь час вона прийде до катастрофи.

Інший шлях до виникнення такого тандему – подвійна зірка, у якої один компонент з часом перетворився в нейтронну зірку, а інший – в чорну діру.

Який з двох сценаріїв привів до утворення пари, загибель якої астрономи спостерігали як S190814bv? Завдяки аналізу даних з детекторів гравітаційних вчені можуть це з’ясувати.

Якщо два об’єкти спочатку утворилися в парі (спочатку як зірки, а потім як чорна діра і нейтронна зірка), то осі їх обертання повинні бути спрямовані однаково. Якщо ж чорна діра захопила нейтронну зірку, яка проходила повз в гравітаційний полон, то причин для такого збігу немає.

Дослідники можуть визначити, однаково чи були направлені осі обертання, вивчаючи тонкі деталі гравітаційного сплеску.

Як би не утворилася загибла подвійна система, для астрономів це перше свідчення того, що подібні пари взагалі бувають.

Звичайно, відомі подвійні нейтронні зірки. Подвійні чорні діри теж бувають: саме їх зіткнення породили майже всі сплески гравітаційних хвиль, які спостерігалися дотепер. Немає ніяких причин, по яким не міг би реалізуватися і проміжний варіант. Але вчені дуже строго ставляться до різниці між «повинні бути» і «доведено, що є». Між тим подібні тандеми дуже складно виявити, так що S190814bv надав астрономам величезну послугу.

Тепер астрономи шукають сліди цієї події за допомогою оптичних та інших телескопів. Нагадаємо, що зіткнення чорних дір, на думку переважної більшості фахівців, які не виробляють жодного помітного спалаху у видимому світлі, радіохвилях і так далі. Злиття нейтронних зірок, навпаки, спостерігається як яскравий вибух. Зіткнення чорної діри з нейтронної зіркою, швидше за все, спричинить спалах, «але це не точно».

Подібні спостереження можуть надати астрономам безцінну інформацію про стан матерії усередині нейтронної зірки, яке десятиліттями залишається предметом суперечок.

На момент виходу матеріалу запис про подію S190814bv в базі даних LIGO свідчить, що ні в які електромагнітні телескопи (оптичні, інфрачервоні, радіо-, гамма — або рентгенівські), воно поки не виявлено.

Нагадаємо, що гравітаційні детектори нещодавно пройшли масштабну модернізацію, фактично поставивши виявлення гравітаційних хвиль на потік. Тому людству напевно чекає ще багато цікавих відкриттів у цій області.