Гравитационно-волновые сигналы продолжают фиксироваться и сотрудничество LIGO-Virgo-KAGRA, подтвердило два «смешанных» слияния между черными дырами и нейтронными звездами, которое посылало мощные гравитационные волны, пульсирующие в пространстве-времени. Эти сигналы были обнаружены в прошлом году коллаборацией с разницей всего в 10 дней. Полтора года спустя события официально представляют собой первое подтвержденное обнаружение смешанных слияний, как описано в новой статье, опубликованной в Astrophysical Journal Letters.

«С этим новым открытием слияния нейтронных звезд и черных дыр за пределами нашей галактики мы нашли недостающий тип двоичной системы»,-сказала соавтор Астрид Ламбертс из CNRS, исследователь коллаборации Virgo в Ницце. «Мы можем, наконец, начать понимать, сколько из этих систем существует, как часто они сливаются, и почему мы еще не видели примеров в Млечном Пути».

LIGO обнаруживает гравитационные волны с помощью лазерной интерферометрии, используя мощные лазеры для измерения крошечных изменений расстояния между двумя объектами, расположенными на расстоянии нескольких километров друг от друга. У LIGO есть детекторы в Хэнфорде, штат Вашингтон, и в Ливингстоне, штат Луизиана. Третий детектор в Италии, Advanced VIRGO, появился в сети в 2016 году. В Японии детектор «KAGRA» и это первый гравитационно-волновой детектор в Азии и первый, который будет построен под землей. Строительство LIGO-India началось в начале этого года, и физики ожидают, что он включится в сеть где-то после 2025 года.

На сегодняшний день коллаборация LIGO обнаружила десятки событий слияния после своего первого открытия, получившего Нобелевскую премию, и все они связаны либо с двумя черными дырами, либо с двумя нейтронными звездами. Совсем недавно, в прошлом году, коллаборация объявила об обнаружении еще двух слияний черных дыр. Одно из них было самым массивным и самым удаленным слиянием черных дыр, которое когда-либо было обнаружено, и оно произвело самый энергичный сигнал, обнаруженный до сих пор. Это проявилось в данных скорее как «взрыв», чем как обычное «чириканье». Это открытие также ознаменовало первое прямое наблюдение черной дыры средней массы.

По мере повышения чувствительности детекторов подтвержденные события становятся все более частыми. Например, всего через месяц после начала нового запуска 1 апреля 2019 года LIGO/VIRGO наблюдала пять гравитационно-волновых событий: три от слияния черных дыр и одно от слияния нейтронных звезд, а пятое, возможно, было неуловимое слияние черной дыры и нейтронной звезды.

Как ранее сообщал Джон Тиммер из Ars, 26 апреля 2019 года все три детектора были подключены к сети, когда на расстоянии примерно 1,2 миллиарда световых лет произошло чрезвычайно отдаленное событие. Это событие (обозначенное как GW190814) было предварительно идентифицировано как первое возможное слияние между черной дырой массой 23 солнечных масс и нейтронной звездой массой 2,6 солнечных масс — самой тяжелой из известных нейтронных звезд, хотя в качестве альтернативы это может быть самая легкая из известных черных дыр. Примерно через неделю детекторы засекли второе возможное слияние черной дыры и нейтронной звезды, хотя это мог быть шум детектора.

«Гравитационные волны позволили нам обнаружить столкновения пар черных дыр и пар нейтронных звезд, но смешанное столкновение черной дыры с нейтронной звездой было неуловимым и недостающим кусочком семейной картины слияния компактных объектов», — сказал Чейз Кимбалл, аспирант Северо-Западного университета, который является одним из многих соавторов новой статьи. «Завершение этой картины имеет решающее значение для ограничения множества астрофизических моделей формирования компактных объектов и двойной эволюции. Этим моделям присущи предсказания скорости слияния черных дыр и нейтронных звезд. С помощью этих обнаружений мы, наконец, получили измерения скорости слияний во всех трех категориях компактных двоичных слияний».

Детекторы приняли сигнал от первого слияния черной дыры и нейтронной звезды 5 января 2020 года, обозначенного GW200105. Но сигнал был действительно сильным только на детекторе Ливингстона, в то время как LIGO был полностью отключен в то время, поэтому сотрудничество не смогло точно определить положение слияния в небе. Они смогли только сузить его до площади, примерно в 34 000 раза превышающей размер полной Луны. Тем не менее, ученые пришли к выводу, что сигнал был получен в результате смешанного слияния черной дыры массой около девяти солнечных масс и нейтронной звезды массой около 1,9 солнечных масс, находящейся на расстоянии около 900 миллионов световых лет.

Однако все три детектора были подключены к сети, когда 15 января поступил сигнал от второго слияния черной дыры и нейтронной звезды (обозначение GW200115). Это событие включало в себя слияние черной дыры в шесть солнечных масс с нейтронной звездой массой около 1,5 солнечных масс, и команда смогла сузить место слияния до области, примерно в 3000 раз превышающей размер полной Луны. Основываясь на своем анализе этих двух событий, исследователи LIGO-Virgo полагают, что такого рода смешанное слияние может происходить примерно раз в месяц, хотя не все эти события будут обнаружены, учитывая текущую чувствительность различных детекторов.

«После дразнящего открытия, объявленного в июне 2020 года, слияния черной дыры с таинственным объектом, который может быть самой массивной из известных нейтронных звезд, очень интересно также обнаружить четко идентифицированные смешанные слияния, как это предсказывалось нашими теоретическими моделями на протяжении десятилетий», — сказала соавтор Вики Калогера из Северо-Западного университета. «Количественное сопоставление ограничений скорости и свойств для всех трех типов будет мощным способом ответить на основополагающие вопросы происхождения».

Что касается того, как эти смешанные системы формируются в первую очередь, то одна возможность заключается в том, что уже были две звезды, вращающиеся вокруг друг друга, с достаточными массами, чтобы они стали сверхновыми, оставив после себя черную дыру и нейтронную звезду. С другой стороны, возможно, что нейтронные звезды и черные дыры в таких смешанных слияниях образовались отдельно от взрывов сверхновых и в конечном итоге дрейфовали друг к другу, образуя двойную систему. Это было бы более вероятно в шаровых скоплениях, которые имеют более высокую плотность звезд. Астрофизики могут изучить направление вращения черной дыры в данном смешанном слиянии, чтобы понять, какой из этих двух механизмов привел к образованию слияния.

Это эпоха так называемой мульти-информационной астрономии, поэтому астрономы по всему миру, в свою очередь, ищут любые вспышки света в своих телескопах, которые могли бы быть сопутствующей электромагнитной сигнатурой от этих слияний, но пока безрезультатно. Это, вероятно, связано с тем, что слияния происходили так далеко,что любой излучаемый свет был бы слишком слабым для обнаружения к тому времени, когда он достигнет наших телескопов. Вероятно также, что никакого сопутствующего светового шоу не было, потому что черная дыра просто поглотила нейтронную звезду целиком.

«Это не были события, когда черные дыры жевали нейтронные звезды, как печенье и разбрасывали кусочки вокруг», — сказал соавтор Патрик Брэди из Университета Висконсин-Милуоки, представитель Научного сотрудничества LIGO. «Это могло бы произвести свет, но мы не думаем, что это произошло в этих случаях».

Таких открытий должно быть еще много, поскольку LIGO, Virgo и KAGRA в настоящее время делают дополнительные усовершенствования своих детекторов в рамках подготовки к новому запуску следующим летом. С этими улучшениями, по их оценкам, они могли бы обнаружить до одного гравитационно-волнового события в день.

«Теперь мы увидели первые примеры слияния черных дыр с нейтронными звездами, поэтому мы знаем, что они где-то там», — сказала соавтор Майя Фишбах, также из Северо-Западного университета. «Но мы еще многого не знаем о нейтронных звездах и черных дырах — насколько они малы или велики, как быстро вращаются, как объединяются в пары. С будущими данными о гравитационных волнах у нас будет статистика, чтобы ответить на эти вопросы, и в конечном итоге мы узнаем, как создаются самые экстремальные объекты в нашей Вселенной».