пробел масс чёрных дыр

Линейку к невидимому диску прикладывают не вплотную, а через всю Вселенную. Свет далёкого квазара — раскалённого газа, кружащего вокруг сверхмассивной чёрной дыры, — по пути к нам проходит сквозь галактику-линзу. Гравитация звёзд в этой галактике изгибает лучи, как неровное стекло, и на снимках квазар раздваивается, а его яркость слегка дрожит.

Это как рекорд в беге на короткую дистанцию: чтобы побить его, нужна идеальная разбежка. Но у субмиллисекундных пульсаров разбежка слишком коротка. Самый быстрый известный пульсар PSR J1748-2446ad делает 716 оборотов в секунду — быстрее кухонного блендера. Если бы он был размером с Землю, точка на его экваторе двигалась бы со скоростью около 0,24 скорости света.

Чёрная дыра — область пространства-времени с настолько сильной гравитацией, что даже свет не может её покинуть — похожа на волчок, который в вакууме вращался бы вечно. Но если вокруг неё сформируется облако из сверхлёгких бозонов — гипотетических частиц с целым спином, — картина меняется.

Космологи оказались в парадоксальной ситуации: два мощных наблюдательных инструмента — карта реликтового излучения (древнего света, оставшегося после Большого взрыва) и карта крупномасштабного распределения галактик — рисуют слегка несогласованные портреты одной и той же Вселенной.

На тёмных окраинах нашей Галактики, вдали от ярких звёздных скоплений, прячутся миллионы чёрных дыр — объектов, которые не светятся и почти не поглощают вещество. Обычные методы поиска, рассчитанные на тесные звёздные поля, здесь бессильны. Нужен другой подход. Астрономы предложили использовать в качестве детектора саму ткань пространства.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная представляла собой раскалённый «суп» из элементарных частиц. По мере остывания в этом первичном бульоне происходили фазовые переходы — подобно тому, как вода замерзает в лёд при падении температуры.

Пласт за пластом, артефакт за артефактом — археолог восстанавливает историю древнего поселения. Так и астрофизики, разбирая 259 записей LIGO–Virgo–KAGRA, увидели чёткую слоистую структуру среди сливающихся чёрных дыр. Каждый слой — сотни миллионов лет эволюции, запечатлённые в гравитационных волнах.

Тёмная материя остаётся неслышимым басовым фоном космической симфонии — она не излучает свет, но её гравитационное тяготение формирует галактики. Вера Рубин впервые уловила этот ритм в 1970-х, наблюдая вращение звёзд.

Квантовый мир часто сравнивают с музыкальным инструментом. Каждая система — будь то атом или цепочка частиц — звучит на своих частотах, которые физики называют уровнями энергии. В хаотических системах, как в оркестре без дирижёра, эти частоты обычно заполняют весь доступный диапазон без пробелов. Но авторы новой работы нашли удивительное исключение.

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?

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 1930-х Фриц Цвикки первым заметил, что галактики в скоплениях движутся слишком быстро — их удерживало нечто невидимое. Позже Вера Рубин измерила вращение спиральных галактик, подтвердив: космос пронизан тёмной материей. Сегодня мы знаем, что она рисует космическую паутину, но природа её частиц — тайна.

Среди драгоценных россыпей ранней Вселенной, запечатлённых Джеймсом Уэббом, есть объекты, похожие на рубиновые бусины, рассыпанные по чёрному бархату. Это «маленькие красные точки» (LRD) — компактные источники с крутыми красными спектрами, внутри которых прячутся сверхмассивные чёрные дыры до ста миллионов солнечных масс.

Если сжать горсть песка, она станет плотнее, но в какой-то момент песчинки упрутся друг в друга — дальше сжимать некуда. Примерно так же, по мнению некоторых теоретиков, ведёт себя пространство на сверхмалых расстояниях: у него есть предел делимости, своеобразное «зерно».

Город давно уснул: ни одного освещённого окна, ни одного нового дома. Лишь в самом центре, в единственном здании, кто-то забыл выключить прожектор. Так выглядит галактика, где звёзды уже не рождаются, а её центральная чёрная дыра всё ещё сияет.

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.

Вселенная звучит как грандиозный оркестр: её партитура — гравитационные волны, рябь ткани пространства-времени, существование которой предсказал Альберт Эйнштейн в рамках общей теории относительности.

Наша Солнечная система — не остров в пустоте, а чуткая паутина, натянутая в тёмном космическом углу. Планеты кружат по своим орбитам, словно капли росы на нитях, а мы — паук, который ощущает малейшее дрожание. Именно эта дрожь и выдаёт приближение катастрофы, которую астрономы называют Большим разрывом.

Гравитационные волны — это рябь ткани пространства-времени, подобная кругам на воде от брошенного камня. На Земле их регистрацию заглушают сейсмический шум, транспорт и океанские приливы — словно шторм бьёт по озеру, не давая заметить слабые всплески.

Галактика — не застывшая картинка, а бурлящий котёл, где из разреженного газа постоянно рождаются новые звёзды. Чтобы понять, как долго продлится это кипение, астрономы взвешивают главный ингредиент — холодный молекулярный водород. Сам он невидим, но его выдаёт угарный газ (CO), который светится в радиодиапазоне.

Астрофизики провели перепись невидимых объектов, которые выдают себя лишь дрожью пространства. Они изучили свежий каталог GWTC-4 — список из десятков слияний чёрных дыр, зарегистрированных детекторами гравитационных волн LIGO, Virgo и KAGRA. Каждое такое событие похоже на удар гигантского колокола, разносящий рябь по ткани мироздания.

Гравитационные волны — рябь пространства-времени, предсказанная Эйнштейном, — обнажили бездну: чёрные дыры с массами между 60 и 120 масс Солнца почти не рождаются.

Звёзды с массами, превышающими Солнце в десятки раз, умирают не так, как предполагалось ранее. Компьютерное моделирование показало: их ядро часто не вспыхивает сверхновой — типичным для массивных звёзд взрывным финалом, а быстро схлопывается в чёрную дыру — область пространства-времени, гравитация которой не выпускает даже свет.

Когда чёрные дыры или нейтронные звёзды сливаются, они возмущают саму ткань пространства-времени, порождая гравитационные волны — рябь, предсказанную ещё Эйнштейном в рамках общей теории относительности.

В огромном тёмном зале кто-то невидимый задевает струны. Космический газ — разреженный водород, заполнявший юную Вселенную, — похож на натянутые струны, которые могут звучать на радиоволне длиной 21 сантиметр. Это водород шепчет о своей температуре.

В 2016–2018 годах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе протоны сталкивались с энергией 13 тераэлектронвольт — как если бы две горошины разгоняли до скоростей, при которых их удар рождает целый рой новых частиц.

В 65 миллионах световых лет от Земли, в созвездии Кита, приютились три карликовые галактики: DF2, DF4 и DF9. Все они объявлены «галактиками без тёмной материи» — таинственной невидимой субстанции, которая обычно удерживает звёзды вместе.

Чёрную дыру не видно, пока рядом не окажется звезда. Тогда приливные силы растягивают звезду, как повар раскатывает тесто, и часть вещества падает в дыру, вспыхивая напоследок. Такие события, называемые приливными разрушениями, — редкий шанс взвесить чёрную дыру, которая иначе осталась бы невидимой.

Астрономы направили космический телескоп «Джеймс Уэбб» на три галактики, свет которых шёл до нас 12 миллиардов лет. Ранние данные указывали на невероятно быстрый рост — словно младенец за год достиг роста взрослого, — что противоречило расширению Вселенной.

Чёрная дыра в двойной системе Swift J1727.8-1613 мерцает в рентгеновских лучах, как костёр на ветру. Но если приглядеться к ритму этого мерцания, можно увидеть чёткие «горбы» — всплески на определённых частотах, похожие на удары барабана в шуме толпы.

Три далёкие галактики кружатся, как гигантские карусели. Их звёзды и газ движутся по спиральным рукавам, и по скорости этого движения можно вычислить, сколько всего вещества в галактике — видимого и невидимого. Астрономы совместили два взгляда: радиотелескопы показали холодный газ, а космический телескоп Джеймса Уэбба — звёзды.

Представьте мост через реку, у которого вырвана середина: машины на том берегу — неожиданность. Так астрономы долго смотрели на чёрные дыры с массой от 50 до 130 солнечных: звёзды, способные их породить, взрываются как сверхновые парной нестабильности.