Гравітаційні хвилі розкрили надшвидке обертання чорних дір

Два нові сигнали гравітаційних хвиль, GW241011 і GW241110, відкрили вченим новий погляд на еволюцію чорних дір і перевірили межі самої загальної теорії відносності Ейнштейна.

Інфографіка GW241011 та GW241110 від Shanika Galaudage / Північно-Західний університет / Адлерський планетарій. Фото: Shanika Galaudage / Північно-Західний університет / Адлерський планетарій

У статті, опублікованій в The Astrophysical Journal Letters, міжнародна колаборація LIGO–Virgo–KAGRA повідомила про виявлення двох унікальних подій злиття чорних дір, зафіксованих у жовтні та листопаді 2024 року. Перша подія, GW241011, відбулася на відстані приблизно 700 мільйонів світлових років від Землі, а друга, GW241110, — близько 2,4 мільярда світлових років. Обидві системи продемонстрували незвичайні параметри обертання — спіни, що відрізняють їх від більшості відомих чорних дір.

За словами професора Стівена Ферхерста з Кардіффського університету, «обидві події мають чорні діри, які значно відрізняються за масою, причому більші об’єкти обертаються з винятковою швидкістю. Це вказує на можливість, що вони є продуктами попередніх злиттів — так званими чорними дірами “другого покоління”». Такий сценарій, відомий як ієрархічне злиття, може відбуватися у щільних зоряних скупченнях, де масивні об’єкти багаторазово стикаються і об’єднуються.

Особливий інтерес викликала подія GW241011, адже її гравітаційно-хвильовий сигнал дозволив з безпрецедентною точністю перевірити рівняння, що описує обертові чорні діри Керра. Аналіз підтвердив передбачення Ейнштейна — форма хвиль виявилася узгодженою з його загальною теорією відносності, включно з тонкими деформаціями, спричиненими швидким обертанням чорної діри. «Ми побачили гармонійні “обертони” у сигналі, які діють подібно до додаткових нот у музичному інструменті — і це ще одне пряме підтвердження теорії Ейнштейна», — пояснив астрофізик Карл-Йохан Хастер з Університету Невади в Лас-Вегасі.

Бінарне злиття чорних дір Карл Нокс, OzGrav, Технологічний університет Свінберна. Фото: Бінарне злиття чорних дір Карл Нокс, OzGrav, Технологічний університет Свінберна

Крім того, дослідження має важливі наслідки для пошуку нової фізики. Збереження швидкого обертання чорної діри у GW241011 навіть через мільйони років після її утворення виключає широкий діапазон мас надлегких бозонів — гіпотетичних частинок, передбачених теоріями за межами Стандартної моделі. Якщо б такі бозони існували, вони могли б поступово витягувати енергію обертання з чорної діри, уповільнюючи її рух. Той факт, що чорна діра продовжує обертатися з високою швидкістю, свідчить, що подібні частинки або не існують, або мають інші властивості, ніж очікувалося.

Як підкреслює професор Франческо Паннарале з Римського університету «Сапієнца», «ці результати демонструють, наскільки важливо працювати з нашими детекторами в синергії та підвищувати їхню чутливість. Кожне нове спостереження не лише відкриває нові аспекти формування подвійних чорних дір, а й дозволяє перевірити фундаментальні закони фізики у найекстремальніших умовах».

Мережа LIGO–Virgo–KAGRA, що нині завершує свій четвертий цикл спостережень (O4), уже зареєструвала близько 300 подій злиття чорних дір, і багато з них ще очікують підтвердження. Кожен сигнал — це не лише астрономічне відкриття, а й природна лабораторія, де перевіряються гіпотези про структуру простору-часу, квантову природу матерії та можливість існування частинок, невідомих сучасній фізиці.

«Незвичайні спінові конфігурації, що спостерігаються у GW241011 і GW241110, не лише кидають виклик нашому розумінню еволюції чорних дір, а й демонструють, наскільки глибоко ми можемо зазирнути в серце Всесвіту завдяки міжнародній співпраці», — підсумовує представник колаборації Virgo Джанлука Джемме.

Таким чином, нові відкриття LIGO–Virgo–KAGRA не лише підтверджують теорію Ейнштейна з безпрецедентною точністю, а й розширюють межі пізнання — від народження чорних дір до пошуків елементарних частинок, які можуть лежати за межами відомої фізики.