Источник гравитационных волн GW190521 на сегодняшний день является самым удаленным из обнаруженных, поскольку он произошел примерно в 7 миллиардах световых лет от Млечного Пути.
Нетипичным кажется, что это все еще продукт слияния двух черных дыр, и особенно то, что это привело бы к образованию первой непосредственно обнаруженной черной дыры промежуточной массы, содержащей 142 солнечных массы. Но это могло быть что-то совсем другое ...
Коллаборации LIGO и VIRGO только что объявили об удивительном открытии, которое, безусловно, должно порадовать пионеров, благодаря которым мы вступили в эру гравитационной астрономии, а именно Кипа Торна, Райнера Вайса, Алена Брилле и Тибо Дамур. Мы не должны также забывать всех других участников коллабораций LIGO и VIRGO, которые сделали возможным обнаружение и анализ гравитационных волн непосредственно на Земле, а также, конечно же, многие другие имена, связанные с их поисками на протяжении десятилетий, и которые к сожалению, скончались (Рон Древер, Владимир Брагинский и др.).
Эти волны, предсказанные релятивистской теорией гравитации Эйнштейна, представляют собой волны в структуре пространства-времени, которое они немного искажают, как звуковая волна в твердом теле.
Помните также, что первый источник, обнаруженный и наблюдаемый в сентябре 2015 года LIGO - GW150914 - был результатом слияния двух черных дыр звездной массы. Некоторая часть общей массы двух объектов, каждый из которых примерно в 30 раз превышает массу Солнца, была преобразована в гравитационные волны. Чтобы получить представление об энергии, которую представляет такое событие, представьте, что если бы эти гравитационные волны были электромагнитными волнами, то источник гравитационных волн появился бы на нашем небе ярче, чем полная Луна. Однако событие произошло примерно в 1,3 миллиарда световых лет от Млечного Пути.
Анализ источника сигнала, наблюдаемого LIGO и VIRGO 21 мая 2019 г. и получившего название по этой причине - GW190521 (GW означает гравитационная волна на английском языке), действительно показал, что это продукт слияния двух черных дыр, которые примерно в 85 и 65 раз больше массы Солнца. Конечным продуктом этого синтеза должна была быть черная дыра с массой 142 Солнца, что значит эквивалент почти восьми масс Солнца, которые были преобразованы в чистое гравитационное излучение.
Это не только массовый рекорд для начальных черных дыр, обнаруженных с помощью LIGO и VIRGO, и также для образовавшейся черной дыры, но и самый далекий источник, поскольку он находится в семи миллиардах световых лет от Млечного Пути, когда он был создан космическим катаклизмом, то есть более чем за два миллиарда лет до рождения Солнца.
Релятивистские астрофизики недоумевают. Модели эволюции массивных звезд, взрывающихся в сверхновых SN II, а также подтверждающие их наблюдения не делают достоверным образование звездных черных дыр с массами от 60 до 120 звездных масс. Взрывы настолько сильны, что выдувают слишком много материала, чтобы позволить достаточному количеству его разрушиться в виде черных дыр в этом интервале масс, особенно со звездами, массы которых входят в предыдущий интервал и которые должны вызвать к сверхновым из-за нестабильности пар.
Следует ли нам пересмотреть теорию сверхновых для массивных звезд?
Необязательно, поскольку черная дыра с массой 142 Солнца - это именно то, что называют черной дырой с промежуточной массой, самое большее от ста до нескольких сотен тысяч солнечных масс. Однако есть сценарии многократного слияния звездных черных дыр и захвата с образованием двойных систем, которые позволили бы рождать компактные звезды из этих масс.
Тем интереснее, что возникает вопрос о возможности рождения сверхмассивных черных дыр, превышающих несколько сотен тысяч солнечных масс, именно путем слияния черных дыр промежуточных масс. Затем их рост начнется в молодой наблюдаемой Вселенной холодных потоков материи в рамках парадигмы, которая стала доминирующей при росте галактик и сверхмассивных черных дыр, которые они содержат.
Численное моделирование двух черных дыр, которые вращаются по спирали навстречу друг другу и, наконец, сливаются, испуская гравитационные волны. Смоделированный сигнал гравитационной волны согласуется с наблюдениями, сделанными детекторами гравитационных волн LIGO и VIRGO 21 мая 2019 г. (GW190521). «Видимый горизонт» черных дыр в моделировании отображается черным цветом. В 0:10 симуляция показывает новый горизонт, который сигнализирует о слиянии двух черных дыр. Гравитационное излучение преобразуется в цвета вокруг черных дыр. Цвета меняются с синего, обозначающего слабое излучение, на красный, обозначающего сильное излучение.
Есть еще одна интересная возможность: черные дыры, обнаруженные LIGO и VIRGO, могут быть верхушкой популяции первичных черных дыр, рожденных во время Большого взрыва. Эта популяция может даже помочь разгадать тайну природы темной материи. Несомненно то, что мы находимся перед первым прямым доказательством существования промежуточных черных дыр, причем предыдущие были косвенными и были связаны с электромагнитным излучением.
GW190521 априори также оставлял место для других предположений, возможно, даже более захватывающих. Наблюдаемый сигнал нетипичен, в частности, потому, что у него чрезвычайно короткая продолжительность, менее десятой доли секунды. Его форма по сравнению с формами, созданными с помощью цифрового моделирования, обеспечивающего большую библиотеку возможных источников, предполагает, что его наиболее вероятная интерпретация - это та, которая была выдвинута, но, как поясняется в пресс-релизе MIT Алан Вайнштейн, член LIGO и профессор физики Калифорнийского технологического института: «Это вызывает больше вопросов, чем ответов».
Таким образом, можно было задаться вопросом, не находился ли человек на самом деле в присутствии сигнала, производимого космической нитью, рожденной во время всегда гипотетической, но очень вероятной фазы раздувания самой изначальной Вселенной. Этот тип объектов предсказывается также теориями великого объединения, GUT, и теорией суперструн (они являются связанными объектами, но не идентичными в обоих случаях). Мы тоже какое-то время думали, что они, как темная материя, могут быть источником галактик и больших нитевидных структур, которые объединяют их, но мы отказались от этой гипотезы.В случае GW190521, на самом деле кажется крайне маловероятным, что кто-то видел излучение космической струны.
Также в пресс-релизе Массачусетского технологического института Вайнштейн пояснил: «С тех пор, как мы впервые активировали LIGO, все, что мы видели, - это столкновение черных дыр или нейтронных звезд. Это единственный случай, когда наш анализ допускает возможность того, что данное событие не является таким столкновением. Хотя это согласуется с необычно массовым слиянием бинарных черных дыр и альтернативные объяснения не подходят, что и раздвигает границы наших знаний. И это делает его потенциально чрезвычайно захватывающим. Поскольку все мы надеялись на что-то новое, неожиданное, это может поставить под сомнение то, что мы уже узнали».
GW190521 также мог быть просто гравитационным коллапсом звезды в нашем Млечном Пути, но тогда должна была быть обнаружена сверхновая, например, с пиком потока нейтрино, прибывающих на Землю, если бы она была скрыта галактической пылью.
Тем не менее, вот что Жан-Пьер Люмине думает об этом открытии: «Я не убежден, что мы должны говорить о черной дыре промежуточной массы (для меня она превышает 1000 масс Солнца) вместо исключительно массивных звездных черных дыр. Чтобы объяснить образование последних, я с трудом верю в последовательные слияния маленьких звездных черных дыр, которые кажутся мне очень маловероятными (даже не говоря о космических струнах, давно исчезнувших с паническим бегством суперсимметричных теорий), я буду их поддерживать. Первичные черные дыры образовались менее чем через секунду после Большого взрыва в этом интервале масс (не считая гораздо более массивных дыр, образовавшихся несколькими секундами позже, что позволило бы учесть первые квазары), не забывая о возможности появления черных дыр массой 50-100 солнечных, образованных гравитационным коллапсом очень массивных звезд из-за первого поколения и очень низкой металличности, которые не обязательно распались бы из-за нестабильности пар ».