САМОЕ ТЯЖЁЛОЕ СТОЛКНОВЕНИЕ ЧЁРНЫХ ДЫР ШЛО НЕ ПО КРУГУ

23 ноября 2023 года обсерватории LIGO в Хэнфорде и Ливингстоне зарегистрировали GW231123 — самое массивное из описанных на сегодня слияний двух чёрных дыр. В предположении круговой орбиты стандартный анализ дал массы около 137 и 101 массы Солнца, причём обе дыры вращались чрезвычайно быстро.

Эти цифры неудобны. Меньшая чёрная дыра попадает в так называемый разрыв масс парной нестабильности (pair-instability mass gap) — диапазон масс, который обычный коллапс звезды производит с трудом. Один из выходов — иерархическое слияние: в тесном окружении, например в плотном звёздном скоплении, остаток одного слияния остаётся поблизости и позже сливается снова. Статья также указывает на полезную подсказку: когда сливаются две чёрные дыры сходной массы со слабым вращением, остаток обычно вращается со значением около 0,7 по безразмерной шкале, которой пользуются физики, где значения, близкие к 1, означают почти предельное вращение.

Всего несколько циклов

GW231123 был коротким: лишь несколько измеримых волновых циклов перед финальным падением. Поэтому его интерпретация очень чувствительна к модели формы волны. Одно свойство определить особенно трудно — эксцентриситет, то есть насколько орбита вытянута. Излучение гравитационных волн обычно скругляет орбиты старых изолированных пар, но тесные сближения в плотной среде могут оставить некоторый эксцентриситет. За считаные циклы овальная орбита способна имитировать покачивание вращающихся чёрных дыр. Если модель не учитывает эксцентриситет, его след могут «впитать» спины.

Начать ниже — увидеть больше

Баосян Ван и Тао Ян из Уханьского университета вместе с коллегами из Пекинского педагогического университета, Института гравитационной физики Общества Макса Планка в Потсдаме и Нинбоского университета заново проанализировали открытые данные с моделью формы волны, допускающей и эксцентриситет, и прецессирующие спины. Ключевое отличие: для детектора в Хэнфорде, открытые данные которого были очищены от кратковременного сбоя (glitch), они начали с 11 герц, а не с 20. На низких частотах эксцентриситет больше, поэтому именно эта ранняя часть сигнала важнее всего.

• Эксцентриситет орбиты получается равным 0,34 (определён на частоте 5,5 герц).
• Эксцентричной модели отдаётся предпочтение с байесовским фактором 10,2: овальная орбита объясняет данные примерно в десять раз лучше, чем круговая.
• Начиная с 20 герц, как в прежних работах, они находят лишь небольшой эксцентриситет — в согласии с этими работами.

Для проверки они создали поддельный GW231123 с овальной орбитой и проанализировали его тем же способом. Он повёл себя точно как реальное событие: явно эксцентричный при анализе с 11 герц и гораздо менее — с 20. Слишком высокая начальная частота может скрыть овальную орбиту.

Загадка вращения ослабевает

Учёт эксцентриситета сильнее всего меняет меньшую чёрную дыру. Её спин падает с 0,90 в круговом анализе примерно до 0,74 — близко к значению 0,7, ожидаемому для остатка предыдущего слияния. Поддельный сигнал показывает тот же эффект: при анализе как кругового его меньшая чёрная дыра кажется вращающейся быстрее, чем на самом деле.

Большая чёрная дыра в любом случае остаётся быстро вращающейся, и её масса плохо согласуется с простым происхождением во втором поколении. Значит, у двух чёрных дыр может быть разная история: меньшая — возможно, дочь двух более ранних чёрных дыр, большая — образовалась каким-то иным путём. Добавление возможности гравитационной линзы на луче зрения не меняет эксцентричного результата.

Что это меняет

Прежние работы использовали меньшую чёрную дыру GW231123, чтобы определить верхнюю границу разрыва масс парной нестабильности. Если эта чёрная дыра сама является продуктом слияния, утверждают авторы, её масса не может в одиночку задавать эту границу. Байесовский фактор 10 — это намёк, а не доказательство: авторы сами отмечают, что и по-настоящему эксцентричные сигналы не всегда дают сильное предпочтение, когда сигнал короткий. Когда граница популяции опирается на несколько необычных событий, заключают они, предположения о форме волны, стоящие за этими событиями, имеют прямое значение.