взаимодействие двойной чёрной дыры

В 2015 году детекторы LIGO впервые поймали дрожь пространства от слияния двух чёрных дыр. С тех пор таких событий накопились сотни, и каждое несёт отпечаток своей родословной: родились ли дыры рядом, из одной пары звёзд, или встретились случайно в тесном скоплении. Разница видна по тому, куда смотрят их оси вращения. Если звёзды росли вместе, приливные силы выстраивают их спины, как стрелки компаса на север.

Две чёрные дыры кружатся в космическом танце, сближаясь по спирали. В финале они сливаются в одну — и этот миг порождает мощный всплеск гравитационных волн, рябь самого пространства-времени. А что остаётся после слияния?

Первые мгновения после Большого взрыва: пространство стремительно раздувается — физики называют этот период инфляцией. Внутри этой разбухающей ткани, словно мыльные пузыри в струе воздуха, начинают зарождаться области нового вакуума — происходит фазовый переход первого рода. Большинство пузырей лопаются или сливаются, едва появившись.

Три миллисекунды до слияния. Огромная чёрная дыра с бешеной скоростью вращения втягивает в себя нейтронную звезду — шар размером с город, но с массой в полтора Солнца. Приливные силы растягивают звезду в тонкую, как игла, нить и расшвыривают вещество прочь.

Вселенная переписывает свою историю снова и снова. Там, где обычная астрономия видит лишь точку — чёрную дыру, — гравитационные волны снимают тонкие слои прошлого, как с древнего палимпсеста. Идею о том, что чёрные дыры могут расти, поглощая друг друга, а их потомки — вступать в новые союзы, астрофизики обсуждают уже полвека.

В океане космоса каждый шторм рождения или слияния сверхмассивных чёрных дыр порождает рябь — гравитационные волны, распространяющиеся со скоростью света. Миллиарды лет эти волны накладываются, сливаясь в низкочастотный гул, словно далёкий прибой.

В сердце почти каждой галактики дремлет сверхмассивная чёрная дыра — невидимый дирижёр звёздного оркестра. Когда галактики сталкиваются, их центральные монстры сближаются, закручиваясь в гравитационном танце. Иногда к дуэту присоединяется третий партнёр, и тогда начинается тройной вальс, исход которого непредсказуем.

Слияния чёрных дыр, предсказанных ещё Карлом Шварцшильдом, — главный источник гравитационных волн, улавливаемых детекторами LIGO. За годы набралось 259 событий, и каждое — зашифрованная история рождения пары. Но есть ли в этих данных скрытая система?

Вселенная говорит на языке гравитационных волн — дрожи самого пространства-времени. Когда две нейтронные звезды, эти сверхплотные остатки давно отгремевших сверхновых, сливаются в финальном танце, они испускают протяжный, нарастающий по частоте «чирик».

Фигуристка кружится на льду, постепенно сходя с орбиты. Так и маленькая звезда или чёрная дыра, обращаясь вокруг массивной чёрной дыры, теряет энергию. Она испускает гравитационные волны — рябь пространства-времени, которую улавливают детекторы на Земле. Но танец этой пары сложнее, чем кажется. Маленький компаньон не просто точка.

Детекторы гравитационных волн зафиксировали странный всплеск — сигнал GW241011. Две чёрные дыры слились, но пара выглядела необычно: одна дыра была примерно втрое легче другой, и при этом система в целом быстро вращалась. Такое сочетание — редкий гость в каталогах.

Чёрная дыра, словно прялка, закручивает вокруг себя облако из лёгких частиц — аксионов. Эти частицы — главные кандидаты на роль тёмной материи. Облако живёт по законам квантовой механики, напоминая огромный атом: есть уровни, есть переходы между ними. Только вместо электрических сил здесь работает гравитация.

Гул стоит по всей Вселенной. Это не звук, а дрожь самого пространства — гравитационный волновой фон. Его создают пары сверхмассивных чёрных дыр, кружащих друг вокруг друга в центрах далёких галактик. Каждая такая пара — как басовый инструмент в огромном оркестре. Поймать соло одного инструмента на фоне общего гудения — задача для пульсарных антенн.

Две чёрные дыры кружатся в медленном танце, постепенно сближаясь. Их движение возмущает само пространство-время — как если бы два тяжёлых шара катились по натянутой простыне, заставляя её дрожать. Эти дрожания мы называем гравитационными волнами.

Волны перебирают гальку на песчаном пляже. Мелкие камешки лежат плотно друг к другу, почти одинаковые по размеру. Чуть дальше от берега — россыпь покрупнее и поразнообразнее. А у самой воды, где прибой особенно силён, скапливаются самые большие и окатанные обломки. Примерно так же природа сортирует чёрные дыры по массе, когда они сливаются в пары.

В плотном ядре звёздного скопления три чёрные дыры сходятся в опасном танце. Движение хаотично — траектории путаются, словно клубки ниток. Затем одна из дыр вылетает прочь, а две другие остаются на вытянутой орбите. Такая пара продолжает сближаться и в конце концов сливается, порождая всплеск гравитационных волн.

Бросьте камешек в пруд — по воде побегут круги. Примерно так же массивное тело, кружащее вокруг чёрной дыры, возмущает ткань пространства-времени, порождая гравитационные волны. Но что, если сам пруд не плоский, а имеет скрытые складки — дополнительные измерения, невидимые глазу?

Четырнадцатого мая 2019 года детекторы LIGO зарегистрировали гравитационный всплеск, который не вписывался в обычные рамки. Событие GW190521 предстало как столкновение двух чёрных дыр массами 85 и 66 солнц. Итоговая дыра в 142 солнечные массы угодила прямо в «запрещённый» диапазон — туда, где звёздные коллапсы почти не оставляют следов.

Два фигуриста кружатся на льду. Один — лёгкий и осторожный, почти не крутится. Другой — массивный и быстрый, вращается изо всех сил, да ещё и в разные стороны. Примерно так выглядит картина, которую нарисовали гравитационные волны от слияния чёрных дыр.

Обычно сближение чёрных дыр — это постепенный процесс: они кружатся в сужающейся спирали, и этот танец порождает долгую рябь гравитационных волн — колебаний самой ткани пространства-времени.

Два наэлектризованных шарика притягиваются друг к другу с определённой силой. Если заменить их заряды на магнитные полюса, пружинные весы покажут ровно ту же силу. С чёрными дырами, оказывается, та же история — только вместо пружин работает сама ткань пространства-времени.

Два тяжёлых шара кружатся не по ровному кругу, а по сильно сплюснутому овалу — то сближаются, то разлетаются. Примерно так ведут себя пары чёрных дыр с вытянутыми орбитами. В отличие от спокойных пар, которые постепенно сближаются и сливаются, эти танцоры сохраняют память о бурной юности: о том, как их вытолкнули из звёздных скоплений или заставили кружиться близкие соседи.

Вселенная в возрасте пары сотен миллионов лет напоминала гигантскую кухню, где из первичного «теста» — водорода и гелия — лепились первые галактики. В их центрах зажигались черные дыры, словно печи разной мощности: от легких «примусов» до тяжелых «очагов». Но как быстро они набирали массу, поглощая окружающий газ?

Слияние двух чёрных дыр похоже на танец, который заканчивается мощным всплеском — гравитационной волной. Эта волна несёт в себе отпечаток того, как искривлено пространство-время вокруг объектов.

Когда две чёрные дыры кружатся друг вокруг друга и сливаются, они посылают по Вселенной рябь — гравитационные волны. Эти волны несут в себе отпечаток того, как именно двигались объекты перед столкновением. По форме этого «танца» можно понять, насколько объекты похожи на идеальные чёрные дыры.

Когда два тяжёлых тела сталкиваются, они не всегда остаются на месте. Чёрные дыры при слиянии получают мощный пинок — как отдача от выстрела, только вместо пороха работает искривление пространства. Этот пинок может выбросить новую дыру из центра галактики или даже за её пределы.

Два нейтронных ядра сталкиваются, и пространство вокруг них дрожит, как поверхность пруда от брошенного камня. Эту дрожь ловят огромные детекторы гравитационных волн. А если при столкновении выбрасывается узкий луч гамма-излучения, его видят космические телескопы как короткий гамма-всплеск.

Химическая связь — как натянутая пружина между атомами. Когда её разрывают, осколки молекулы отлетают, но не замирают: они продолжают дрожать, как отпущенная струна. Именно эту дрожь удалось поймать группе исследователей, разорвавших молекулу метилиодида ультрафиолетовым лазером. Осколок — метильный радикал — начал вибрировать, словно зонтик, который то раскрывается, то складывается.

Две чёрные дыры кружатся друг вокруг друга, и их танец не всегда похож на ровный вальс. Если дыры крутятся вокруг своей оси, то их орбита может начать кувыркаться — как волчок, который подтолкнули, и он заваливается набок, продолжая кружиться.

Две чёрные дыры кружатся в тесном танце, и вокруг них рождается нечто удивительное — гравитационная молекула. Облако ультралёгких бозонов, частиц с массой меньше электронвольта, обволакивает пару, как электронное облако в ионе H2+. Только роль ядер играют чёрные дыры, а роль электрона — поле, размазанное на десятки километров.

В апреле 2023 года детекторы LIGO, Virgo и KAGRA поймали гравитационную волну от слияния двух чёрных дыр. Массы — 137 и 103 солнечных — сделали событие GW231123 самым массивным в истории наблюдений. Обе дыры попали в «провал парной нестабильности» — диапазон, где обычная звёздная эволюция не должна оставлять чёрных дыр.