Гравитационные обсерватории подтвердили гипотезу происхождения пар черных дыр
Астрофизики подтвердили гипотезу происхождения большинства пар черных дыр в изолированных двойных звездных системах, проанализировав данные детекторов LIGO и Virgo, которые регистрировали гравитационные волны от слияния пар черных дыр. Для этого ученые сравнили измеренные моменты импульса черных дыр с теми, которые ожидаются для разных сценариев формирования пар. Исследование опубликовано в The Astrophysical Journal Letters.
Впервые гравитационные волны от слияния пары черных дыр были зарегистрированы гравитационными обсерваториями в 2016 году. С тех пор коллаборации LIGO и Virgo сообщили о наблюдении почти 50 таких событий. Из спектра и интенсивности гравитационного излучения можно найти массы и моменты импульса каждой черной дыры в паре, а также момент импульса их относительного движения. Эти параметры зависят от того, как черные дыры сформировались и как образовали пару.
Согласно современным представлениям, существует два основных механизма образования двойных систем черных дыр: коллапс обоих компаньонов в двойной звездной системе и образование гравитационно-связанной системы двух черных дыр, формировавшихся независимо друг от друга в плотных звездных кластерах. В первом случае для моментов импульса компаньонов ожидаются два варианта: моменты импульса, деленные на квадрат массы, пренебрежимо малы, или величина момента импульса одной или обеих черных дыр может достигать 0,5, а направления их моментов импульса близки к направлению момента импульса относительного движения. Это происходит, если приливные силы одной дыры из пары раскрутили другую. Если черные дыры формировались независимо, то их моменты импульса должны быть распределены равномерно по направлению и величине. Считается, что почти все пары черных дыр сформировались в двойных звездных системах.
Чтобы проверить эту гипотезу, группа астрофизиков из Австралии, Великобритании, Индии и США под руководством Шаники Галудаге (Shanika Galaudage) из университета Монаша проанализировала спектры гравитационных волн, излученных 44 парами сливающихся черных дыр, чтобы найти моменты импульса компаньонов. Ученые выяснили, что все события хорошо укладываются в сценарий образования пар черных дыр из изолированных двойных звездных систем. Из всех пар исследованных черных дыр от 70 до 90 процентов имеют пренебрежимо малый момент импульса, а в остальных случаях направления моментов импульса в паре положительно коррелируют с моментом импульса орбитального движения.
Однако несколько событий слияния черных дыр с большими моментами импульса укладываются и в гипотезу о независимом формировании. Ситуация усугубляется тем, что точность измерения спектра и восстановления по нему моментов импульса черных дыр в настоящее время невелика и доходит иногда до нескольких десятков процентов. Исследователи считают, что дальнейший сбор данных гравитационными обсерваториями поможет более точно идентифицировать сценарии формирования пар черных дыр.
Ранее мы писали о регистрации обсерваториями LIGO и Virgo гравитационных волн, излученных при поглощении нейтронной звезды черной дырой.
Андрей Фельдман
Результат получила коллаборация Belle II
Выход за пределы Стандартной модели — важнейшая поисковая задача физиков, занимающихся элементарными частицами. В первую очередь они ориентируются на существующие крупные аномалии, например, темную материю. Множество расширений Стандартной модели опирается на введение новых невидимых бозонов, которые могли бы стать такой материей. Один из процессов, где такие бозоны могли бы себя проявить — это распад тау-лептона. Физики знают, что этот тяжелый лептон распадается на электрон или мюон и соответствующий набор нейтрино. Ряд теорий, однако, предсказывает альтернативный канал распада, в котором вместо нейтрино рождается темный бозон. Проверить эту гипотезу вызвались физики из коллаборации Belle II, работающие на лептонном коллайдере SuperKEKB. В ходе измерительной кампании, длящейся с 2019 по 2020 год, ученые собрали данные о более, чем 57 миллионах событий, в которых сталкивающиеся электроны и позитроны превращаются в таон-антитаонные пары при энергии в системе центра масс, равной 10,58 гигаэлектронвольта. Интегральная светимость эксперимента составила 62,8 обратного фемтобарна. Физиков интересовали коэффициенты ветвления процессов с участием темных бозонов, деленные на соответствующие коэффициенты для известных процессов. Авторы протестировали собранные данные для бозонов в диапазоне масс от 0 до 1,6 гигаэлектронвольта и не нашли подтверждения этой гипотезе. Результат работы физиков накладывает новые ограничения на отношения коэффициентов ветвления: (6−36)×10−3 для распада на электрон и (3−34)×10−3 для распада на мюон с доверительным интервалом 95 процентов. Японский коллайдер SuperKEKB — это модернизированная версия его предшественника, коллайдера KEKB. Он был снова запущен после семи лет ремонта в 2018 году. С тех пор на нем было получено множество новых результатов, например, уточненное время жизни очарованного лямбда-бариона.