Гравитационно-волновой сигнал GW190521 назвали эхом динамического захвата черных дыр

Европейские астрономы предложили новую интерпретацию события GW190521, зарегистрированного в 2019 году в форме гравитационно-волнового сигнала. Предыдущий взгляд на него предполагал, что это было слияние двух гравитационно связанных черных дыр, двигающихся перед столкновением по спиралевидным траекториям. Авторы нового исследования предположили, что на самом деле речь идет о динамическом захвате одной свободной черной дыры гравитационным полем другой. Расчеты показали, что новая модель точнее описывает форму сигнала и лучше вписывается в традиционную модель эволюции звезд. Исследование опубликовано в Nature Astronomy.

Практический доступ к волновому аспекту гравитации ученые получили лишь в 2015 году, когда впервые в истории был зафиксирован такой сигнал коллаборациями Virgo и LIGO. Гравитационные волны представляют собой возмущения пространства-времени, создаваемые любым переменно ускоряющимся или тормозящим массивным телом. Однако наиболее сильные волны, которые видят обсерватории, возникают во время финальной стадии слияния двух массивных объектов, например черных дыр или нейтронных звезд. На сегодняшний день астрономы зафиксировали уже более 90 подобных событий. Подробнее об этом замечательном явлении читайте в материале «На гребне метрического тензора».

Приходящие к нам возмущения ткани Вселенной несут ценную информацию, нужную для построения космологических моделей и понимания эволюции звезд. На этом фоне разительно выделяется событие GW190521, зафиксированное учеными в рамках третьего сезона работы гравитационных обсерваторий в 2019 году. Его принято интерпретировать как слияние двух черных дыр массами 66 и 85 солнечных, приближающихся друг к другу по спиральным (квазикруговым) орбитам.

Проблема этой интерпретации в том, что масса как минимум одной из черных дыр лежит в диапазоне масс, исключающем ее рождение через коллапс звезды. Вполне может быть, что такая черная дыра — это продукт слияния, произошедшего ранее. Другая трудность связана с соотношением между морфологией события и прецессией вращения черных дыр при квазикруговом движении.

Чтобы разрешить возникающие трудности, Росселла Гамба (Rossella Gamba) из Йенского университета имени Шиллера с коллегами из Германии и Италии предположили, что слияние черных дыр происходило по другой модели. Согласно их идее, событие GW190521 произошло в плотном звездном скоплении, в котором одна из черных дыр, будучи свободной, была бы захвачена гравитационным полем другой черной дыры.

Двойные системы, состоящие из черных дыр, могут формироваться в результате различных астрофизических процессов. Наиболее распространенным сценарием считается ситуация, в которой гравитационно связанные звезды коллапсируют, продолжая вращаться вокруг общего центра масс по круговым орбитам. Поскольку этому процессу сопутствует излучение энергии в виде гравитационных волн, радиусы орбит со временем сокращаются, а их траектория напоминает спираль.

Однако возможен и другой сценарий слияния, получивший название динамического захвата (dynamical capture). Два несвязанных объекта могут столкнуться, минуя фазу спирального движения, в том случае, если изначальные траектории их движения находятся в довольно узком диапазоне отношений соответствующих параметров. Эта узость объясняет, почему такой тип столкновений еще не наблюдался для черных дыр. В сценарии динамического захвата орбиты будут гиперболическими, а время взаимодействия — коротким.

Последнее хорошо согласуется с характером гравитационно-волнового сигнала, зарегистрированного обсерваториями — короткая длительность (около 0,1 секунды) и отсутствие предварительных колебаний. Как следует из вычислений, в новом сценарии массы сливающихся черных дыр равны 81 и 52 солнечных масс, учет прецессии их спинов не требуется, а точность соответствия подгонки более чем в 4300 раз лучше, чем для модели квазикругового сближения.

Кроме того, модель динамического захвата хорошо объясняет массовое противотечение, если предположить большую плотность звезд в скоплении. Действительно, в этом случае легко себе представить, что «блуждающая» черная дыра была образована не коллапсом звезды, а неким предшествующим слиянием. Если расчеты астрономов верны, то такая интерпретация превращает событие GW190521 в первое в истории наблюдение динамического захвата.

Черные дыры проще всего обнаружить по их гравитационному влиянию на движение окружающих звезд и вещества. В случае с «блуждающими» черными дырами, астрономы лишены такой возможности, поэтому их приходится искать по косвенным признакам. Мы уже рассказывали, каким образом обнаруживают черные дыры звездной массы и более тяжелые черные дыры.