Зафиксированы самые странные чёрные дыры в истории

Осенью 2024 года международная коллаборация LIGO–Virgo–KAGRA зафиксировала два редких сигнала — слабые колебания самого пространства-времени, возникшие после столкновений чёрных дыр. Эти события, получившие обозначения GW241011 и GW241110, стали одними из самых необычных за всю историю гравитационно-волновых наблюдений. Их отличает не только гигантская энергия, но и странное поведение вращающихся объектов: одно из слияний показало рекордную скорость вращения чёрной дыры, другое — неожиданное направление спина, противоположное орбитальному движению системы.

Чтобы понять значение этих открытий, важно вспомнить, как устроено наблюдение гравитационных волн. Когда две массивные чёрные дыры вращаются друг вокруг друга и в конечном счёте сталкиваются, их гравитационные поля искажают ткань пространства-времени, создавая рябь — волны, которые расходятся со скоростью света. Эти возмущения невероятно слабы: они изменяют расстояние между объектами на доли атома, но современные лазерные интерферометры — установки LIGO, Virgo и KAGRA — способны уловить такие микроскопические эффекты.

Анализируя форму и частоту этих волн, учёные могут вычислить массу каждой чёрной дыры, расстояние до источника и даже направление и скорость их вращения. Таким образом, гравитационные волны становятся не просто сигналом, а полноценным источником данных о физике экстремальных объектов.

Первое событие, GW241011, произошло примерно 700 млн световых лет от Земли и представляло собой слияние двух чёрных дыр массой 17 и 7 солнечных масс. Более тяжёлая из них вращалась с исключительной скоростью — одной из самых высоких, когда-либо измеренных. Второе, GW241110, зарегистрированное 10 ноября 2024 года, произошло в 2,4 млрд световых лет от нас и включало чёрные дыры массой 16 и 8 солнечных масс. Здесь главный объект вращался в направлении, противоположном орбитальному движению пары — редчайшее явление, ранее не наблюдавшееся.

Подобные измерения стали возможны благодаря математическим моделям, которые сопоставляют зарегистрированные волны с миллиардами вычисленных шаблонов. Из этого совпадения формы физики извлекают информацию о свойствах источника — словно по отзвуку угадывая, какой именно инструмент звучал во Вселенной.

Оба наблюдения оказались столь необычными, что астрофизики предположили: крупные чёрные дыры в этих системах могли родиться не из звёзд, а из других чёрных дыр. Такая гипотеза называется иерархическим слиянием. Она описывает процесс, при котором в плотных звёздных скоплениях — например, в шаровых или молодых звёздных кластерах — чёрные дыры после первого столкновения остаются в гравитационной ловушке, сталкиваются вновь и сливаются повторно, образуя второе поколение сверхмассивных объектов.

Именно на такую схему указывают два признака, присутствующие в обоих событиях: значительная разница масс (порядка 2:1) и необычное направление вращения более тяжёлых компонентов. Это стало первым прямым подтверждением того, что иерархические слияния действительно происходят в природе.

Кроме того, наблюдение GW241011 позволило проверить фундаментальные предсказания общей теории относительности в экстремальных условиях. Сигнал полностью совпал с решением уравнений Эйнштейна и моделью Роя Керра, описывающей вращающиеся чёрные дыры. Согласно этим расчётам, быстрая ротация вызывает лёгкую деформацию горизонта событий, которая оставляет узнаваемый отпечаток в структуре волны. Зафиксированные данные подтвердили это с беспрецедентной точностью.

Из-за значительной разницы масс двух слившихся объектов волна GW241011 содержала дополнительные высокочастотные обертоны — подобно призвукам музыкальных инструментов. Подобное явление удавалось зарегистрировать всего несколько раз в истории наблюдений, но в этот раз одна из гармоник проявилась особенно чётко, что стало ещё одним подтверждением правильности теории Эйнштейна.

Данные важны не только для астрофизики, но и для фундаментальной физики частиц. Быстро вращающиеся чёрные дыры, подобные зафиксированным, можно использовать для проверки гипотез о существовании ультралёгких бозонов — теоретических частиц, предсказываемых расширенными версиями Стандартной модели. Если такие частицы существуют, они способны отбирать у чёрной дыры часть её вращательной энергии. Но наблюдения показали, что массивная дыра из системы GW241011 до сих пор вращается с огромной скоростью, что исключает широкий диапазон возможных масс этих гипотетических бозонов.

Исследователи отмечают, что такие результаты стали возможны только благодаря совместной работе трёх гравитационно-волновых обсерваторий — LIGO, Virgo и KAGRA, действующих синхронно в разных частях планеты. Каждое новое зарегистрированное событие не только добавляет информацию о строении космоса, но и даёт возможность проверить физические законы на пределе их применимости.