«Невозможное» слияние чёрных дыр объяснили гравитационным линзированием

Астрономы подозревают, что никогда ранее не наблюдавшаяся разновидность явления пространства-времени может объяснить «невозможное» слияние чёрных дыр, которое годами ставило экспертов в тупик. Но если их теория верна, она порождает совершенно новую загадку.

23 ноября 2023 года обе половины Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) — расположенные в штатах Вашингтон и Луизиана — зафиксировали необычный набор гравитационных волн. Эти ряби в ткани пространства-времени могут возникать в результате некоторых самых мощных событий во Вселенной, таких как взрывы звёзд и быстро вращающиеся нейтронные звёзды. Но в данном случае сигнал, получивший обозначение GW231123, исходил от пары сталкивающихся чёрных дыр на расстоянии около 2 миллиардов световых лет от Земли.

Это слияние также наделало шума в СМИ как самое массивное столкновение чёрных дыр на сегодняшний день: две родительские чёрные дыры породили сингулярность примерно в 230 раз массивнее Солнца. Проблема лишь в том, что сталкивающиеся чёрные дыры — с массами 100 и 130 солнечных соответственно — слишком велики, чтобы их можно было объяснить нашими текущими представлениями о Вселенной.

Эта пара находится в так называемом «массовом разрыве»: они слишком крупные для чёрных дыр звёздной массы, образующихся при коллапсе звёзд, но меньше промежуточных чёрных дыр, которые мы до сих пор не до конца понимаем. Добавляет странности и то, что при столкновении чёрные дыры вращались гораздо быстрее, чем ожидалось.

Исследователи выдвинули несколько возможных объяснений «запрещённых» размеров этих чёрных дыр. В одной из работ, опубликованной в прошлом году, был предложен новый путь формирования сингулярностей такого размера: через коллапс более крупных звёзд, которые в ином случае взорвались бы как сверхновые. Однако эта идея противоречит многим предыдущим наблюдательным данным.

Теперь в исследовании, опубликованном 25 августа в The Astrophysical Journal Letters, учёные предлагают более простое, но не менее интригующее объяснение GW231123. Они предполагают, что сигнал от слияния был искажён странным явлением пространства-времени — гравитационным линзированием, которое возникает, когда далёкое излучение проходит через участки искривлённого пространства-времени, изогнутого гравитацией массивных объектов на переднем плане.

Когда чёрные дыры сталкиваются, они испускают ряби в ткани пространства-времени — гравитационные волны, которые могут регистрироваться специальными обсерваториями на Земле, такими как LIGO.

Ранее уже неоднократно показывалось, что этот эффект может увеличивать или иным образом искажать далёкие источники света. Однако до сих пор исследователи не находили доказательств того, что гравитационное линзирование может происходить с рябями пространства-времени.

«Как и свет, гравитационные волны также могут отклоняться, увеличиваться и расщепляться на несколько сигналов массивными объектами, — сказал в заявлении соавтор исследования Мигель Сумалакарреги, астрофизик из Института гравитационной физики Макса Планка в Германии. — Для гравитационных волн эффекты дифракции и интерференции дают нам дополнительный способ идентифицировать и изучать линзированные сигналы».

Космическое увеличение

Идея гравитационного линзирования была впервые предложена в 1915 году теорией общей относительности Альберта Эйнштейна, согласно которой гравитация массивных объектов, таких как галактики или чёрные дыры, искривляет окружающее их пространство-время. Если такой объект расположен прямо между Землёй и другим, более далёким объектом, то свет от далёкого объекта может проходить через искажённое пространство-время, фактически огибая средний объект. В результате свет может увеличиваться, дифрагировать или иным образом изменяться — так же, как при прохождении через стеклянную линзу.

Этот эффект может создавать потрясающие зрелища, включая световые гало, известные как кольца Эйнштейна, необычные крестообразные структуры и множественные копии одного источника света. Изучая эти светящиеся курьёзы, исследователи могут взвешивать линзирующие объекты, тем самым выявляя скрытые несоответствия, вызванные невидимой тёмной материей, и получая один из лучших методов изучения этого неуловимого вещества.

В новом исследовании учёные смоделировали, как гравитационные волны могут изменяться линзирующим объектом. Они обнаружили, что сигнал GW231123 мог быть увеличен, что сильно завысило бы массы участвовавших в слиянии чёрных дыр.

Гравитационное линзирование видимого света иногда может создавать светящиеся гало, называемые кольцами Эйнштейна. На этих изображениях линзирующий объект — яркая точка в центре колец, а искажённый синий свет исходит от далёкого объекта, расположенного прямо за «линзой». (Синий свет также был увеличен, из-за чего он выглядит гораздо ярче, чем был бы в ином случае.)

«Если мы предположим, что GW231123 был отклонён и искажён компактным объектом массой примерно от 190 до 850 солнечных масс — или протяжённой структурой, такой как шаровое скопление, — мы можем объяснить наблюдаемые высокие массы, — сказала в заявлении первый автор исследования Срашти Гоял, постдокторант Института гравитационной физики Макса Планка. — Более того, интерпретация через линзирование не требует необычно высоких спинов».

С учётом этого общая масса новообразованной чёрной дыры составила бы около 140 солнечных масс, а не 230 солнечных масс, которые исследователи изначально измерили. Это означает, что сталкивающиеся чёрные дыры, сформировавшие её, больше не находятся в проблемном массовом разрыве. Это также позволяет предположить, что чёрная дыра может быть даже дальше от Земли, чем думали астрономы.

Однако, хотя линзирование гравитационных волн теоретически возможно, оно никогда не наблюдалось. Новое исследование также является чисто теоретическим — у исследователей нет прямых доказательств линзирования, например сопутствующего кольца Эйнштейна, — поэтому, как отметили учёные, требуется больше работы, чтобы показать, что именно это могло произойти в данном случае.

Новая загадка

Новая теория могла бы наконец закрыть вопрос о загадке GW231123. Но тем самым она поднимает ещё один интригующий вопрос: что именно линзировало этот загадочный сигнал?

В большинстве случаев гравитационного линзирования света линзирующим объектом является нечто огромное, например галактика, которая может быть в триллионы раз массивнее Солнца. Но модели исследователей предполагают, что любой потенциальный линзирующий объект здесь должен быть гораздо меньше, и они не смогли обнаружить ничего подходящего между Землёй и точкой происхождения GW231123.

«Природа линзы остаётся главной загадкой нашего анализа, поскольку отдельные компактные линзы массой 100–1 000 солнечных масс должны быть чрезвычайно редкими, — сказал Сумалакарреги. — Будущим работам предстоит установить, могут ли такие линзы формироваться или же ансамбль более лёгких объектов, включая звёзды, способен объяснить это событие».

Если команде удастся выяснить, что могло увеличить сигнал, и доказать, что ряби пространства-времени были искажены, это может стать преобразующим для будущей астрономии. Если гравитационные волны могут линзироваться, это открывает возможность изучения древних слияний чёрных дыр или аналогичных космических событий, которые иначе были бы слишком далеки для обнаружения. Исследователи также считают, что анализ дифракционных картин таких сигналов может дать больше подсказок о неуловимой природе тёмной материи.

Goyal, S., Villarrubia-Rojo, H., & Zumalacárregui, M. (2026). Across the universe: GW231123 as a magnified and diffracted black hole merger. The Astrophysical Journal Letters, 1008(1), L12. https://doi.org/10.3847/2041-8213/ae93b1