Любопытная гравитационная волна может быть намеком на первичные черные дыры 

Фото из открытых источников

Это маловероятно, но учёные, возможно, обнаружили экзотические первичные чёрные дыры, образовавшиеся сразу после Большого взрыва. Намеки на это поступают от лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) и её европейского аналога Virgo, которые регистрируют крошечные колебания в пространстве, возникающие при слиянии массивных объектов, таких как чёрные дыры. 12 ноября LIGO и Virgo выпустили автоматическое предупреждение о слиянии, в котором по крайней мере один объект оказался слишком лёгким, чтобы быть обычной чёрной дырой или нейтронной звездой, образовавшейся при коллапсе звезды.

«Если это окажется реальностью, то это колоссально», — говорит Джуна Крун, специалист по астрофизике частиц из Даремского университета, не принимавшая участия в наблюдении. «Это событие невозможно объяснить традиционными астрофизическими процессами». Однако предполагаемый сигнал может быть шумом детектора, отмечает Кристофер Берри, астроном, занимающийся гравитационными волнами, и член LIGO из Университета Глазго, который опубликовал предупреждение на Bluesky через несколько часов после обнаружения. «Можно поставить против» реальности сигнала, — говорит он. — «Но интересно поразмышлять».

Когда две чёрные дыры или нейтронные звезды, сближаясь по спирали, создают в пространстве рябь, называемую гравитационными волнами. Для обнаружения этих мельчайших возмущений требуются огромные приборы. LIGO состоит из двух оптических интерферометров L-образной формы, расположенных в Луизиане и штате Вашингтон, каждый с 4-километровыми плечами, в которых резонирует лазерный свет. У Virgo, расположенного в Италии, плечи длиной 3 километра. Проходящая волна растягивает одно плечо больше другого, поэтому свет из обоих плеч интерферирует и выходит из прибора, формируя сигнал, который синхронно с волной усиливается и ослабевает.

С 2015 года LIGO и Virgo зафиксировали более 300 событий. 99% из них были связаны со слияниями чёрных дыр, а несколько — со слияниями нейтронных звёзд. Во всех случаях наблюдались объекты с массой, превышающей массу Солнца — 1 солнечную массу. Нейтронные звёзды весят от 1,1 до 2,2 солнечных масс, а чёрные дыры, рождённые коллапсирующими звёздами, ещё тяжелее, иногда достигая массы десятков солнц.

Однако новое предупреждение указывает на то, что по крайней мере один из двух сливающихся объектов весил менее одной солнечной массы. Как написал Берри на Bluesky: «Если это слияние подтвердится, это может стать неопровержимым доказательством существования популяции первичных чёрных дыр».

Это большое «если». Для каждого оповещения LIGO и Virgo предоставляют частоту ложных срабатываний, которая оценивает, как часто шум детектора сам по себе может привести к появлению ложного сигнала такого уровня. Для этого оповещения частота ложных срабатываний составляла один раз в 6,2 года, позже пересмотренная до одного раза в 4 года. По словам Берри, такой частоты было бы достаточно для обычного слияния чёрных дыр, поскольку они происходят с частотой раз в несколько дней. Но для редкого события, которое могло бы переписать учебники, она неприемлемо высока, отмечает он.

Случай с первичными чёрными дырами тоже непрост. Они могли образоваться, когда плотные пятна в новорождённой Вселенной коллапсировали под действием собственной гравитации и, в принципе, могли иметь любую массу. Некоторые учёные давно предполагают, что первичные чёрные дыры могут быть причиной невидимой тёмной материи во Вселенной. Но если вокруг вращается множество таких шаров, то иногда один из них должен проходить перед звездой и, благодаря своей гравитации, кратковременно увеличивать её. Астрономы не наблюдали этого эффекта, что ограничивает количество первичных чёрных дыр и исключает их как единственный источник тёмной материи, говорит Крун.

Сливающиеся объекты также могут быть нейтронными звёздами, пусть и необычными. Обычные нейтронные звёзды образуются при коллапсе звёзд, слишком лёгких для образования чёрных дыр, но всё ещё в несколько раз тяжелее Солнца. Теоретики выдвигают сценарии, которые могут привести к появлению более лёгких нейтронных звёзд, отмечает Эмануэле Берти, астрофизик-теоретик из Университета Джонса Хопкинса. Например, при коллапсе в чёрную дыру очень большая звезда может на короткое время образовать кольцо материи, порождающее мини-нейтронные звёзды, похожие на безделушки на браслете. Но такая модель весьма надуманна, говорит Берти. «Она почти так же спекулятивна, как и первичные чёрные дыры».

Исследователи утверждают, что ни один другой известный астрофизический объект не способен генерировать такой сигнал. Возьмём, к примеру, белые карлики — выгоревшие остатки таких небольших звёзд, как Солнце. Каждый белый карлик имеет ширину в тысячи километров, поэтому пара таких карликов соприкоснётся и сольётся, вращаясь на частоте ниже, чем могут обнаружить LIGO и Virgo.

LIGO и Virgo выпустили это предупреждение, чтобы астрономы могли найти взрыв, который мог бы сопровождать это событие. Для такого фейерверка потребовалось бы наличие вещества, а источником могли бы быть нейтронные звезды. Однако LIGO и Virgo обнаружили источник только в области неба, в 6000 раз превышающей размер Луны, что, вероятно, сделало эти поиски бесполезными.

Однако, по словам Александра Ница, астронома-гравитациониста из Сиракузского университета и бывшего члена LIGO, исследователи, возможно, смогут определить природу источника только по сигналу гравитационных волн. Типичное слияние чёрных дыр сопровождается грохотом, подобным раскату грома, но объекты малой массы, сближающиеся по спирали, гудят в течение минут или часов. Точная природа этого гудения будет несколько иной для нейтронных звёзд, которые будут оказывать друг на друга приливные силы, чего не могут чёрные дыры. «Мы можем фактически определить, это действительно нейтронные звёзды или чёрные дыры?» — говорит Ниц.

Подтвердить реальность события можно, только обнаружив больше подобных объектов, говорят исследователи. «Когда видишь первого кандидата на что-либо, всегда очень скептически относишься к этому», — говорит Берти. «Но когда начинаешь видеть целые семейства объектов, тогда становишься гораздо увереннее». Даже в этом случае этот незначительный сигнал может остаться загадкой, говорит Крун. «Кажется маловероятным, что мы действительно узнаем наверняка, было ли это предупреждение реальным или нет».