Космическое столкновение заставило ученых переписать историю: орбита смерти оказалась яйцевидной

Столкновение черной дыры и нейтронной звезды, потрясшее Вселенную, привело астрономов к обнаружению странного типа орбитального взаимодействия, которого никогда не видели прежде. Это открытие вынуждает ученых пересматривать свои теории.

Прежде чем эти два невероятно плотных объекта столкнулись и слились воедино, они сначала кружили друг вокруг друга по вытянутой, яйцевидной орбите, напоминающей узоры спирографа. К такому выводу пришли ученые в отчете, опубликованном 11 марта в The Astrophysical Journal Letters.

По словам авторов исследования, это открытие бросает вызов устоявшемуся предположению о том, как формируются системы из черных дыр и нейтронных звезд, и о том, обязаны ли они перед своей гибелью перейти на идеально круговые орбиты.

«Сам факт, что эта система всё еще сохраняла эллиптичность в самом конце своей жизни, — это, по сути, неопровержимый сигнал о том, что по крайней мере некоторые двойные системы „нейтронная звезда — черная дыра“ должны формироваться иначе [чем предсказывает теория]», — сообщила Live Science по электронной почте соавтор исследования Патриция Шмидт, доцент кафедры физики и астрономии Бирмингемского университета в Великобритании. Это наблюдение «заставляет нас переосмыслить, где и при каких условиях возникают эти системы».

Рябь Эйнштейна

В январе 2020 года ученые зафиксировали первые убедительные доказательства того, как черная дыра поглотила нейтронную звезду — сверхплотное, сколлапсировавшее ядро некогда массивной звезды. В результате этого события образовалась новая черная дыра массой примерно в 13 раз больше массы Солнца.

Хотя это событие произошло примерно в миллиарде световых лет от Земли, исследователи смогли измерить параметры двух объектов с помощью пары гравитационных волн. Эти ряби в пространстве-времени, предсказанные теорией относительности Эйнштейна, испускаются в результате экстремальных космических столкновений. Исследователи зарегистрировали две волны, пришедшие с интервалом в 10 дней, используя лазерно-интерферометрическую гравитационно-волновую обсерваторию LIGO (протяженностью 3000 км) в США. Первая волна, обозначенная как GW200105, и стала объектом нового исследования.

Используя новую модель, разработанную Институтом гравитационно-волновой астрономии Бирмингемского университета, а также дополнительные данные с гравитационно-волнового детектора Virgo в Италии, команда уточнила измерения пространственно-временной ряби и обнаружила, что некоторые первоначальные предположения были ошибочны. Например, более ранние исследования GW200105 недооценивали массу черной дыры, одновременно завышая массу нейтронной звезды. Теперь эти значения скорректированы.

Что еще важнее, предыдущие исследования также предполагали идеально круговую орбиту системы «черная дыра — нейтронная звезда» перед столкновением, как это часто бывает в подобных парах. Новое исследование исключает эту возможность с вероятностью 99% — что также ставит под сомнение происхождение системы.

Круг разорван

И черные дыры, и нейтронные звезды образуются, когда некогда могущественные звезды исчерпывают свое топливо и коллапсируют в плотные остатки. При определенных обстоятельствах два таких остатка могут попасть в общую двойную орбиту, которая медленно стягивает объекты к катастрофическому столкновению.

«Согласно канонической теории, считается, что двойные системы „нейтронная звезда — черная дыра“ образуются из пар изолированных массивных звезд, которые эволюционируют вместе, пока одна не становится черной дырой, а другая — нейтронной звездой», — объяснила Шмидт. «Однако этот путь формирования предсказывает, что к тому моменту, когда объекты сблизятся настолько, что LIGO и Virgo смогут их обнаружить, их орбита должна быть почти идеально круговой. Поэтому эллиптическую орбиту при таком малом расстоянии очень трудно согласовать со стандартным сценарием».

Чтобы получить более четкую картину орбиты обреченной системы, новый анализ сосредоточился на двух малоизученных свойствах: эксцентриситете (насколько овальной была орбита, подобно эллиптической орбите Луны вокруг Земли) и прецессии (как ось вращения объекта меняется или колеблется с течением времени). По словам исследователей, это первый случай, когда ученые проанализировали оба свойства одновременно при слиянии черной дыры и нейтронной звезды.

Команда обнаружила, что орбита системы была сильно эллиптической (яйцевидной), но убедительных доказательств прецессии не нашлось. По мнению команды, это означает, что странная яйцевидная форма орбиты не была связана с изменениями оси вращения системы. Скорее всего, она была придана системе задолго до ее гибели — вероятно, из-за гравитационного притяжения других объектов в ее окружении.

«Орбита выдает все тайны», — заявил в пресс-релизе соавтор исследования Герайнт Праттен, научный сотрудник Королевского общества в Бирмингемском университете. «Ее эллиптическая форма непосредственно перед слиянием показывает, что эта система не развивалась тихо в изоляции, а почти наверняка была сформирована гравитационными взаимодействиями с другими звездами или, возможно, с третьим компаньоном».

«Новое окно» во Вселенную

Это доказательство существования эллиптической орбиты является первым в своем роде среди систем «черная дыра — нейтронная звезда».

Хотя точный механизм, стоящий за этим, остается загадкой, само его существование доказывает, что не существует единого объяснения того, как формируются эти системы, и указывает на свежеобнаруженный пробел в нашем понимании этих экстремальных объектов.

Для заполнения этого пробела потребуются новые модели, основанные на более необычных сигналах гравитационных волн из разных уголков Вселенной. Поиск этих слабых сигналов может потребовать новых технологий, таких как будущий космический детектор LISA (Лазерная интерферометрическая космическая антенна), который в настоящее время находится в стадии разработки.

«Будущие детекторы гравитационных волн, как наземные, так и космические, откроют совершенно новое окно во Вселенную», — заключила Шмидт. «Они будут гораздо чувствительнее современных инструментов, что позволит нам обнаруживать более слабые и далекие источники, а также совершенно новые типы сигналов гравитационных волн, которые сегодня недосягаемы».

Новое открытие доказывает, что космос полон сюрпризов, а наши модели его эволюции нуждаются в постоянной сверке с реальностью. Изучение гравитационно-волнового эха от таких катастроф позволяет нам не только заглянуть в прошлое Вселенной, но и точнее предсказывать ее будущее, шаг за шагом приближаясь к разгадке тайн темной стороны космоса.