Черные дыры могут поглощать нейтронные звезды целиком

Это открытие означает, что астрономы уловили все три основных типа гравитационных волн.

Отредактировано 2023-25-06
Художественное изображение вдохновленное событием слияния черной дыры и нейтронной звезды с большим количеством синих и красных оттенковНейтронные звезды иногда исчезают в черных дырах, оставляя после себя лишь рябь в пространстве.

Группа астрофизических волшебников провела последние шесть лет, слушая субмикроскопические толчки в ткани космоса, пронизывающие нашу планету. Их межконтинентальная сеть улавливает отголоски столкновений черных дыр с черными дырами и даже нейтронных звезд с нейтронными звездами.

Теперь, впервые, они ясно почувствовали слияние нейтронных звезд с черными дырами, завершая свою гравитационно-волновую карту из трех пунктов и получая возможность бесплатно заглянуть в загробную жизнь мертвых звезд.

"Сегодня мы объявляем об открытии черной дыры, слившейся с нейтронной звездой", - написал в Твиттере Дэниел Уильямс, астрофизик из Университета Глазго и член команды, стоящей за находкой. "Мы завершили набор".

Когда огромные звезды, по крайней мере в десятки раз массивнее Солнца, умирают, их обычно постигает одна из двух судеб: Если во время предсмертных мук звезда упаковывает достаточно материи в определенный объем, она перестает быть материей в нашем понимании и коллапсирует в черную дыру. Или, если смерть не столь интенсивна, атомы в ядре звезды сжимаются в шар, состоящий в основном из нейтронов, известный как нейтронная звезда.

Почти девять из десяти звезд рождаются и живут, по крайней мере, с одной звездой-партнером. Астрофизики давно предполагают, что по мере старения и смерти пары перейдут к существованию в виде двух черных дыр, двух нейтронных звезд или одной из них.

Одним из основных мотивов создания Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) был поиск гравитационных волн, которые, как предсказывали физики, будут распространяться во Вселенной, когда эти титанические объекты будут двигаться по спирали навстречу друг другу и сливаться. LIGO обнаружил первое слияние черных дыр в 2015 году и первое слияние нейтронных звезд в 2017 году. Но вопрос о том, обязательно ли Вселенная объединяет черные дыры в пары с нейтронными звездами, остается открытым.

"Было так много неопределенности вокруг того, существуют ли они, как они могут образоваться и насколько велика их численность в нашей Вселенной", - говорит Райан Мейджи, астрофизик из Калифорнийского технологического института и член LIGO.

Теперь у исследователей есть две веские причины полагать, что странные пары действительно существуют.

5 января 2020 года, когда пришло первое предупреждение, Мейджи был за рулем. Тогда это не казалось большой проблемой, потому что волна была зарегистрирована только одним из трех детекторов сети (два объекта LIGO сотрудничают с интерферометром Virgo в Италии), и сигнал не был особенно четким.

Но всего через 10 дней аналогичная гравитационная волна зашумела сразу во всех трех детекторах. Сотрудничество LIGO/Virgo бросилось изучать обнаруженную волну. "Я помню, как быстро принимал множество звонков, - говорит Мейджи.

Анализ гравитационных волн сродни тому, как если бы вы услышали за окном грохот и, не глядя, предположили его причину. Высокочастотный грохот может указывать на пересечение путей двух велосипедистов, а более низкий гул - на столкновение более тяжелых транспортных средств. Астрофизики смотрят на зафиксированную ими волну и пытаются оценить массу участвующих объектов, и все это без непосредственного свидетельства события.

Вот что, по их мнению, произошло в январе 2020 года. В обоих столкновениях, по-видимому, участвовали тяжелое и легкое тела. Тяжелые партнеры могли весить около девяти и шести солнечных масс соответственно (считается, что самые легкие черные дыры весят около пяти солнечных масс). По оценкам коллаборации, масса более легких партнеров в 1,9 и 1,5 раза превышала массу Солнца. Это ставит их обоих значительно ниже теоретического верхнего предела в 2,5 солнечных массы для самых тяжелых нейтронных звезд. Во вторник в журнале The Astrophysical Journal Letters коллаборация подробно описала свои результаты. Обнаружение слияния черной дыры и нейтронной звезды: достигнуто.

В каждом случае более легкая нейтронная звезда, вероятно, по спирали приближалась к своей спутнице - черной дыре и погружалась в нее, как бильярдный шар, исчезающий в угловой лузе. Поскольку черные дыры намного тяжелее нейтронных звезд, они, скорее всего, проглатывают входящие объекты целиком - разочарование для астрономов.

"В идеале, мы бы хотели, чтобы нейтрон был разорван на части и разрушен черной дырой, потому что это разбросало бы материю вокруг черной дыры и дало бы нам шанс увидеть ее с помощью телескопов", - сказал Мейджи, - "но, к сожалению, я не думаю, что в этот раз произошло что-то подобное".

Из такого фейерверка исследователи могли бы почерпнуть сведения о скорости распространения гравитационного воздействия в пространстве, скорости расширения Вселенной и намеки на малопонятную природу материи в нейтронных звездах.

Тем не менее, Мейджи считает это открытие обнадеживающим. Основываясь на этих столкновениях, коллаборация считает, что черная дыра поглощает нейтронную звезду примерно раз в месяц где-то в радиусе миллиарда световых лет от Земли, поэтому у астрономов должно быть больше шансов мельком увидеть последствия.

До тех пор LIGO и Virgo будут слушать новые грохоты и начнут строить статистическую картину пар черная дыра-нейтронная звезда, которая поможет астрофизикам выяснить, имеют ли эти объекты тенденцию рождаться вместе как звезды, или же оживленные галактики или звездные скопления могут собрать их вместе после смерти.

И хотя перфокарта LIGO уже заполнена, Мейджи все еще надеется на пару бонусов. Помимо столкновения нейтронной звезды и черной дыры с сильной, видимой вспышкой, он также ожидает космического грохота от столкновения с одной из сторон, которая еще легче, чем наше Солнце.

Теории учебников не предсказывают таких писклявых объектов, поэтому их существование было бы свидетельством какого-то нового явления, например, черных дыр, образовавшихся из коллапсирующих облаков темной материи или из чрезвычайно плотных пятен, возникших во время Большого взрыва.

"Это свидетельствует о новой физике", - говорит он. "Вам придется выяснить, что именно привело к этому".