Обсерватория LIGO увидела слияние нейтронной звезды и рекордно легкой черной дыры

Гравитационно-волновая обсерватория LIGO обнаружила редкий всплеск гравитационных волн от слияния нейтронной звезды и компактного объекта, попадающего в массовый разрыв между нейтронными звездами и черными дырами. Предполагается, что это черная дыра с рекордно легкой массой. Препринт работы доступен на сайте LIGO.

В мае 2023 года начался четвертый цикл наблюдений гравитационно-волновых обсерваторий Advanced LIGO, Advanced Virgo и KAGRA. Три предыдущие серии наблюдений, во-первых, дали начало практической гравитационно-волновой астрономии, а, во-вторых, позволили сделать ряд ключевых открытий, таких как первые наблюдения слияния черных дыр звездных масс, слияния черной дыры звездной массы с нейтронной звездой и слияния двух нейтронных звезд. В последнем случае удалось провести параллельные наблюдения в электромагнитном диапазоне за результатом слияния в виде килоновой.

Одной из интересных текущих проблем в области исследования компактных объектов является массовый разрыв между максимальной массой невращающейся нейтронной звезды и минимальной массой черной дыры звездной массы, в диапазоне 3–5 масс Солнца. Недостаток объектов с такими массами основывается, прежде всего, на наблюдениях за рентгеновскими двойными системами в Млечном Пути, содержащими компактный объект. Протяженность разрыва и его верхняя граница остаются предметом споров, как и вопрос о том, могут ли методики наблюдения или какие-либо эффекты, связанные с эволюцией звезд в двойных системах, привести к существованию разрыва.

Группа астрономов из коллабораций LIGO, Virgo и KAGRA сообщила об обнаружении гравитационных волн от слияния нейтронной звезды и компактного объекта, попадающего в массовый разрыв между нейтронными звездами и черными дырами. Всплеск GW230529 был обнаружен одним из двух детекторов LIGO вечером 29 мая 2023 года, все остальные обсерватории либо были отключены от сети, либо не обладали необходимой чувствительностью для наблюдения этого всплеска.

Модель слияния, подходящая под данные наблюдений, говорит о том, что до слияния это была асимметричная компактная двойная система. Масса первого компонента составляет около 1,2–2 масс Солнца с пиком у 1,4 массы Солнца, что согласуется с распределением масс известных нейтронных звезд, включая галактические пульсары. Масса второго компонента находится в пределах 2,5–4,5 масс Солнца, с пиком у 3,6 масс Солнца.

Предполагается, что второй компонент системы все же является черной дырой. Если это действительно так, то это рекордно легкая черная дыра, которая уменьшает предполагаемую минимальную массу черных дыр и увеличивает предполагаемую скорость слияний с одним компонентом с массой в диапазоне массового разрыва. Маловероятно, что такая черная дыра образовалась в результате прямого коллапса, однако возможен механизм аккреции вещества на нейтронную звезду с последующим коллапсом, или это могут объяснить некоторые модели взрывов массивных звезд за счет гравитационного коллапса ядра.

О том, что такое гравитационные волны, как их регистрировать и почему это важно для ученых, мы рассказывали в материалах «На гребне метрического тензора» и «Точилка для квантового карандаша».