Слияние чёрных дыр. LIGO и VIRGO впервые совместно "увидели" слияние черных дыр

Самой большой интригой ожидаемого объявления о первой регистрации гравитационных волн был вопрос о том, были ли обнаружены его следы в электромагнитном диапазоне. По распространенной теории , гамма-всплески являются результатом слияния нейтронных звезд и черных дыр. По первым сообщениям выходило , что никаких следов источника гравитационных вол в электромагнитном спектре обнаружено не было. Однако теперь появилась информация, что всё-таки это не так. Сергей Попов случайно нашел препринт публикации о регистрации события в гамма-лучах космической обсерваторией Fermi .

Данное обнаружение очень значимо с научной точки зрения. Оно может впервые доказать, что короткие гамма-всплески являются результатом слияния черных дыр. Подобные слияния должны быть одним из нескольких главных видов слияния астрономических объектов, происходящих во Вселенной . Перечислим основные их типы:

1) Слияния обычных звезд

Около половины звезд в нашей галактике входят в состав двойных или более многочисленных систем. Некоторых из них находятся на очень тесных орбитах. Рано или поздно некоторые звезды должны сливаться в одну звезду, по причине торможения в протяженных оболочках друг друга. Такие события уже наблюдались.

2 сентября 2008 года в созвездии Скорпиона вспыхнула яркая Новая . Она получила обозначение Новая Скорпиона 2008 . Данная звезда в максимуме достигла 7-ой звездной величины и поначалу казалась обычной Новой . Но затем изучение архивной фотометрии резко изменило мнение ученых об этой звезде. Так как вспышка случилась на плотных звездных полях галактики, то она попала в поле зрения проекта OGLE по поиску микролинзовых событий. В результате изучения многих тысяч снимков этого проекта выяснялось, что звезда увеличивала свой блеск не резко, а плавно, в течение нескольких десятков суток:

В целом же удалось проследить за изменениями в блеске звезды, начиная с 2001 года:

Изучение этих данных показало ещё более удивительную деталь. Оказалось, что звезда показывает периодические изменения в блеске - с периодом равным примерно одним суткам. Кроме того выяснилось, что период этих колебаний с течением времени быстро уменьшался:

После вспышки была произведена попытка найти подобную периодичность. Она закончилась неудачей. Поэтому был сделан вывод, что единственным реалистичным сценарием объяснения произошедшего является гипотеза слияния двух звезд в одну .

2) Слияния белых карликов

Любая звезда рано или поздно умирает. Если её масса меньше 1.4 масс Солнца , то она через стадию красного гиганта становится белым карликом. Такие звезды также должны образовывать двойные системы. Сначала в 1967 году были обнаружены тесные системы типа AM Гончих Псов , в которых был лишь один белый карлик. Спустя 20 лет был обнаружен двойной белый карлик с периодом обращения всего в 1.5 дня. Постепенно астрономы обнаруживали всё более тесные подобные системы. В 1998 году была обнаружена система белых карликов с периодом обращения всего в 39 минут. Ожидается, что звезды в ней сольются в одну через 37 миллионов лет.

Ученые рассматривают два варианта последствия слияния таких звезд. По первому из них появляется обычная звезда, по второму происходит взрыв сверхновой первого типа . К сожалению, проверить ни одну из этих версий пока невозможно. Даже самые яркие сверхновые, которые наблюдаются в наше время, находятся в далеких галактиках. Поэтому даже в лучших случаях на месте вспыхнувших сверхновых удаётся рассмотреть лишь слабо видимую звезду.

3) Слияния нейтронных звезд и черных дыр звездных масс

Если масса звезды значительно превышает порог в 1.4 масс Солнца , то она заканчивает свою жизнь уже не безобидной стадией красного гиганта, а сверхмощным взрывом сверхновой. Если звезда не сильно превышает этот порог, то образуется нейтронная звезда - объект размером всего лишь в несколько километров. В случае же многократного превышения порога, образуется черная дыра - объект, у которого вторая космическая скорость превышает скорость света.

Существование нейтронных звезд и черных дыр было предсказано теоретиками за несколько десятилетий до их открытия. Образуют ли они двойные системы? Теоретически это могло показаться маловероятным, так как взрыв сверхновой характерен большой потерей массы и, следовательно, двойная система должна дестабилизироваться. Однако всего через 7 лет после открытия первого пульсара (нейтронной звезды) была обнаружена первая двойная система нейтронных звезд. Её открытие оказалось настолько значимым, что за нее дали Нобелевскую премию (было обнаружено уменьшение периода системы, согласующееся с потерями из-за гравитационного излучения). В 2003 году был обнаружен первый двойной пульсар с периодом обращения в 2.4 часа. Ожидается, что через 85 миллионов лет обе нейтронные звезды сольются в одну.

Одновременно с открытием пульсаров были открыты загадочные гамма-всплески . Поначалу их не удавалось обнаружить в других диапазонах электромагнитного излучения. Это не позволяло оценить даже порядок расстояния до них. Лишь в 1997 году впервые удалось обнаружить оптическое послесвечение гамма-всплеска и измерить его красное смещение. Оно оказалось огромным, во много раз превышающим расстояние до самых далеких сверхновых. Отсюда следовал вывод об огромной мощности подобных взрывов:

В начале мая 1998 года, точнее вечером 6-го мая, в США и по электронным каналам (Интернет) был распространен пресс-релиз НАСА, в котором сообщалось об измерении коллективом американских и итальянских астрономов на 10-м телескопе им. Кека (США) красного смещения слабой галактики, которая видна на месте гамма-всплеска GRB 971214, зарегистрированного итало-голландским спутником BeppoSAX 12 декабря 1997 г. Официальная науная информация появилась в виде серии статей в номере журнала "Nature" от 7 мая 1998 г. (Kulkarni S.R. et al., Nature, 393, 35; Halpern et al., Nature, 393, 41; Ramaprakash A.N. et al., Nature, 393, 43). Красное смещение в спектре этой галактики оказалось крайне большим, z=3.418, т.е. свет от нее был испущен в момент, когда возраст Вселенной составлял всего 1/7 от современного значения (12 млрд. лет). Фотометрическое расстояние до этой галактики определяется по красному смещению и равно 10^28 см. Затем по измеренной на Земле освещенности гамма-излучения от этого всплеска (10-5 эрг см-2 в диапазоне энергий >20 кэВ) можно восстановить полное энерговыделение: в одном только гамма-диапазоне оно оказалось невероятно большим, 10^53 эрг. Эта энергия составляет 20% от энергии массы покоя Солнца и в 50 раз превосходит всю энергию, которая излучится Солнцем за все время его существования. И все это - за те 30 с, которые длился гамма-всплеск! Пиковая светимость (энерговыделение) в течение нескольких сотых долей секунды составила 10^55 эрг/с, что соответствует электромагнитной светимости половины всех звезд Вселенной. Поразительное явление, не правда ли? Чтобы еще больше заинтриговать читателя авторы делают оценку максимальной плотности энергии вблизи места этого энерговыделения и показывают, что она сравнима с той, которая имела место в горячей Вселенной спустя 1 с после начала расширения ("Большого Взрыва"), в эпоху первичного нуклеосинтеза.

Среди теоретиков мнение насчет источников такого мощного источника энергии было почти единодушным:

Итак, твердо встав на позицию космологичекой природы гамма-всплесков, требуется объяснение столь высокому энерговыделению в виде электромагнитного излучения, форме и временному поведению спектров самих гамма-всплесков и их рентгеновских, оптических и радио двойников, частоты происхождения и т.д. Как упоминалось выше, слияния двух компактных звезд (нейтронных звезд или черных дыр) безраздельно претендовали на роль источника энергии гамма-всплесков. Детали этой модели крайне плохо изучены ввиду сложности физических процессов при таком событии. Повторяем, основной аргумент сводился к достаточности потенциально выделяемой энергии (10^53 эрг), достаточной частоты событий (в среднем около 10^-4 - 10^-5 в год на галактику) и реальному наблюдению по крайней мере 4 двойных нейтронных звезд в виде двойных радиопульсаров, невидимая звезда в которых имеет массу около 1.4 массы Солнца (типичная масса нейтронной звезды) и крайне компактна.

Однако до сегодняшнего дня это были лишь предположения, дополненные обнаружением некоторых косвенных признаков . Всё меняется с недавней публикацией . Из неё следует, что прибор GBM (Gamma-ray Burst Monitor) спутника Fermi всего через 0.4 секунды после регистрации гравитационной волны наблюдал слабый гамма-всплеск продолжительностью в одну секунду. Сигнал пришелся на туже область, что и источник гравитационной волны. Более того, обнаружение гамма-всплеска позволяет сузить район события с 601 до 199 квадратных градусов. Событие смотрится статически достоверным (SNR=5.1 ) по причине того, что площадь наблюдения прибора GBM составляет 70% площади неба.

Конечно, нельзя на 100% быть уверенным в правильной интерпретации события. Так пока не известно ни одной достоверной двойной системы черных дыр звездных масс. Обычно двойные системы, в которой есть черные дыры, обнаруживают по рентгеновскому излучению. Для наличия такого излучения необходимо, чтобы хотя бы один из участников двойной системы являлся обычной звездой - донором вещества, для аккреционного диска.

Регистрация слабого и короткого гамма-всплеска от слияния черных дыр ставит множество вопросов насчет происхождения подобного электромагнитного излучения. Как известно, вторая космическая скорость у черных дыр превышает скорость света. Возможно несколько вариантов:

А) Гамма-излучение вызвано поглощением аккреционного диска черных дыр или межзвездного вещества. Тот факт, что гамма-всплеск получился слабым говорит о том, яркие и короткие гамма-всплески порождаются столкновениями нейтронных звезд, где есть больше вещества для превращения в гамма-излучение.

Б) Излучение вызвано каким-то неизвестным явлением, которое все же позволяет разогнаться веществу в черных дырах при слиянии до скоростей выше скорости света (то есть покинуть черную дыру). Аналогом такого излучения может быть гипотетическое излучение Хокинга .

Очевидно, что решение этого вопроса может привести к грандиозному прогрессу в физике. В ближайшие годы гравитационные детекторы по мере улучшения чувствительности должны увеличить своё угловое разрешение и тем самым упростить идентификацию источников гравитационных волн с электромагнитным излучением.

4) Слияния сверхмассивных черных дыр

Так как большинство теоретиков считают, что ничто не может покинуть черную дыру (вторая космическая скорость превышает скорость света), то очевидно, что черные дыры должны расти с течением времени. Ожидается, что в плотных звездных скоплениях (вроде шаровых скоплений) они вырастают до нескольких тысяч масс Солнца , а в центральных областях галактик достигают массы в несколько миллиардов или даже триллионов масс Солнца .

Некоторые из этих сверхмассивных черных дыр входят в двойные системы. И такие системы уже обнаружены. К настоящему времени известны не только двойные, но даже тройные и четырехкратные системы сверхмассивных черных дыр. Некоторые из таких систем являются очень тесными. Так в одной из них период обращения черных дыр составляет пять лет. Ожидается, что слияние этих черных дыр случиться меньше чем через миллион лет. При этом должна выделиться энергия, которая в сто миллионов раз превышает энергию обычной сверхновой.

Такие слияния будут являться наиболее мощными событиями во Вселенной . Они должны становиться мощнейшим источником гравитационных волн. Не исключено, что в далеком будущем одно из таких слияний может стать причиной нового Большого взрыва и рождения новой Вселенной . Кто знает, по крайней мере, сейчас во Вселенной известно лишь о двух явлениях, которые характеризуются экстремальной плотностью материи - черная дыра и материя до Большого взрыва .

Естественно, кроме общих случаев должны быть и частные случаи больших астрономических слияний, к примеру, падения планет на звезды или поглощение звезд сверхмассивными черными дырами.

Такие явления тоже достаточно редки и происходят на больших расстояниях, поэтому многие их детали пока неизвестны. Познание Вселенной в ответе на один вопрос всегда порождает ещё несколько новых вопросов.

Новое компьютерное моделирование, которое полностью включает в себя физические эффекты Общей теории относительности Эйнштейна, показывает, что газ в системах сливающихся черных дыр излучает преимущественно в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне. Исследование представлено в журнале Astrophysical Journal .

«Мы знаем, что галактики с центральными сверхмассивными черными дырами сливаются друг с другом, но лишь в небольшой части мы смогли обнаружить присутствие двух «монстров». И пары, которые мы видим, не излучают достаточно сильные гравитационные волны, поскольку они еще слишком далеки друг от друга. Наша цель – идентифицировать более близкие дуэты по световым сигналам и благодаря этому в будущем отследить их гравитационные волны», – говорит Скотт Нобл, астрофизик из Центра космических полетов NASA им. Годдарда (США).

Сверхмассивная черная дыра в представлении художника. Credit: NASA

В 2015 году ученые зафиксировали слияние черных дыр звездной массы с использованием обсерватории LIGO, однако столкновения свермассивных объектов . Одна из причин, по которой наземные обсерватории не могут обнаружить искривление пространства-времени от этих событий, состоит в том, что сама Земля подвержена вибрациям от сейсмических колебаний и изменений атмосферного давления, поэтому детекторы должны находиться в космосе, как Космическая антенна лазерного интерферометра (LISA) Европейского космического агентства (ESA), планируемая к запуску в 2030-х годах.

Комплексные наблюдения за пульсарами также могут способствовать обнаружению гравитационных волн от слияния монстров. Подобно маякам, пульсары непрерывно испускают синхронизированные лучи света. Гравитационные волны должны вызывать незначительные изменения в периодах вспышек, но пока это не наблюдалось на практике.

Изображение пульсара в Парусах, полученное обсерваторией NASA «Chandra». Credit: NASA

Тем не менее у сверхмассивных пар, приближающихся к столкновению, есть одна вещь, которой нет в двойных системах звездной массы: это богатая газом среда. Ученые предполагают, что взрыв сверхновой, создающий небольшую черную дыру, сдувает большую часть окружающего газа, а оставшегося газа, падающего на нее, недостаточно для мощного излучения в процессе слияния.

С другой стороны, пары сверхмассивных черных дыр являются результатом слияния галактик. Каждая из них окружена облаками газа и пыли, звездами и планетами. Столкновение галактик продвигает большую часть материала к центральным черным дырам. По мере приближения к горизонту событий оставшийся газ нагревается магнитными и гравитационными силами и испускает яркое сияние, наблюдаемое астрономами.

Моделирование сверхмассивных столкновений требует сложных вычислительных инструментов, которые учитывают все физические эффекты, создаваемые двумя гигантскими черными дырами, вращающимися вокруг друг друга с почти релятивистской скоростью. Знание того, какие световые сигналы рождаются в таких событиях, поможет современным наблюдениям идентифицировать их и другие процессы в сердце большинства галактик.

Новая симуляция описывает поведение сверхмассивных черных дыр за 40 орбит до слияния. Модель показывает, что излучение преимущественно происходит в ультрафиолете и высокоэнергетических рентгеновских лучах, аналогично тому, что наблюдается в любой галактике со сверхмассивной центральной черной дырой.

Три области излучающего газа накаляются, когда черные дыры сливаются и окутываются потоками горячего газа: большим кольцом, окружающим всю систему, и двумя меньшими дисками вокруг каждой из них. Все эти объекты испускают преимущественно ультрафиолетовое излучение. Когда газ вливается в меньшее кольцо, ультрафиолетовый свет диска взаимодействует с короной черной дыры, областью высокоэнергетических субатомных частиц выше и ниже диска, что производит рентгеновское излучение. При более низкой скорости аккреции рентгеновские лучи преобладают над ультрафиолетом.

Основываясь на моделировании, исследователи ожидают, что рентгеновские лучи, испускаемые перед слиянием, будут более яркими и более переменными, чем наблюдаемые от одиночных сверхмассивных черных дыр.

Моделирование проводилось на суперкомпьютере в Университете штата Иллинойс в Урбане-Шампейне (США) и заняло 46 дней на 9600 вычислительных ядрах. Команда планирует усовершенствовать код для оценки влияния изменений входных параметров системы (таких как температура, расстояние, общая масса и скорость аккреции) на излучаемый свет, а также для понимания того, что происходит с газом, путешествующим между двумя черными дырами на более длинных промежутках времени. Если их усилия приведут к ожидаемым результатам, астрофизики смогут обнаруживать слияния сверхмассивных черных дыр прежде, чем их увидит космическая гравитационная волновая обсерватория.

МОСКВА, 26 сен - РИА Новости. Гравитационные обсерватории LIGO и VIRGO впервые одновременно обнаружили всплеск гравитационных волн, порожденных слиянием двух черных дыр и локализовали их источник — одну из галактик в созвездии Часов, рассказали участники коллабораций VIRGO и LIGO, выступавшие на пресс-брифинге на встрече министров "Большой семерки" в итальянском Турине.

"Объединение LIGO и VIRGO не только повысило точность локализации источников гравитационных волн в 20 раз, но и позволило нам приступить к поиску следов объектов, порождающих гравитационные волны, в других видах излучения. Сегодня мы по-настоящему вступили в эру полноценной гравитационной астрономии", — заявил Дэвид Шумейкер (David Shoemaker), руководитель коллаборации LIGO.

В поисках складок пространства-времени

Детектор гравитационных волн LIGO был построен в 2002 году по проектам и планам, которые были разработаны Кипом Торном, Райнером Вайссом и Рональдом Древером в конце 80 годов прошлого века. На первой стадии своей работы, длившейся 8 лет, LIGO не удалось обнаружить "эйнштейновские" колебания пространства-времени, после чего детектор был отключен и последующие 4 года ученые потратили на его обновление и повышение чувствительности.

Эти усилия оправдали себя - в сентябре 2015 года, фактически сразу после включения обновленного LIGO, ученые обнаружили всплеск гравитационных волн, порожденных сливающимися черными дырами общей массой в 53 Солнца. Впоследствии, LIGO зафиксировал еще три всплеска гравитационных волн, только один из которых был официально признан научным сообществом.

Ученые не знают, где конкретно были расположены источники этих гравитационных волн — из-за того, что LIGO имеет всего два детектора, им удалось лишь выделить достаточно узкую полосу на ночном небе, где могли находиться эти черные дыры. Внутри нее, несмотря на ее скромные размеры, находятся миллионы галактик, что делает поиски "конечного продукта" этих слияний фактически бесполезным занятием.

В июне этого года свою работу возобновил европейский "кузен" LIGO, гравитационная обсерватория VIRGO, построенная в окрестностях итальянской Пизы в 2003 году. Работа VIRGO была приостановлена в 2011 году, после чего инженерная команда обсерватории провела ее глубокую модернизацию, приблизив ее по чувствительности к текущему уровню LIGO.

Все проверки детекторов VIRGO были завершены к 1 августа этого года, и теперь обсерватория приступила к совместным наблюдениям с двумя детекторами LIGO. Ее чувствительность несколько ниже, чем у американского гравитационного телескопа, однако получаемые ей данные позволяют решить две важнейших научных задачи - повысить качество и достоверность сигнала, получаемого LIGO, и определить "трехмерное" положение источника гравитационных волн.

Триангуляция по-Эйнштейновски

Первых результатов ученые добились неожиданно быстро - уже 14 августа им удалось обнаружить всплеск GW170814, возникший в далекой галактике на расстоянии в 1,8 миллиарда световых лет от Земли. Как и в прошлых трех случаях, эти волны были порождены необычно крупными черными дырами, чья масса превышала солнечную в 30,5 и 25 раз. Во время их слияния примерно три массы Солнца "испарились" и были потрачены на излучение гравитационных волн.

Использование сразу трех детекторов позволило ученым заметно повысить точность локализации источника гравитационных волн - галактика, в которой находятся породившие их черные дыры, расположена в небольшой области неба в созвездии Часов на ночном небе южного полушария Земли. Кроме того, ученые планируют использовать эти данные для поиска возможных следов этой вспышки в радио и рентгеновском диапазонах.

Сенсации в данном случае не произошло - предварительный анализ данных, собранных LIGO и VIRGO во время этой вспышки, показывает, что гравитационные волны движутся через пространство и ведут себя в точности так, как предсказывает теория Эйнштейна. В будущем, когда чувствительность LIGO и VIRGO будет повышена, ученые надеются найти окончательный ответ на этот вопрос.

Как отметил Шумейкер, детекторы LIGO были отключены 25 августа для того, чтобы повысить точность их работы примерно в два раза. Этот "апгрейд", по его словам, расширит "горизонт зрения" обсерватории примерно в девять раз, и позволит находить следы слияния черных дыр практически каждую неделю.