29 мая 2023 года детектор LIGO Livingston наблюдал загадочный сигнал, названный GW230529. Он возник в результате слияния нейтронной звезды с неизвестным компактным объектом, скорее всего, необычайно лёгкой чёрной дырой. Имея массу, лишь в несколько раз превышающую массу нашего Солнца, объект попадает в «зазор меньшей массы» между самыми тяжёлыми нейтронными звёздами и самыми лёгкими чёрными дырами. Исследователи из Института гравитационной физики имени Макса Планка способствовали открытию благодаря точным моделям волновых форм, новым методам анализа данных и сложной технологии детекторов. Хотя это событие было замечено только благодаря гравитационным волнам, оно даёт основания ожидать, что в будущем больше подобных событий будет наблюдаться и с помощью электромагнитных волн.

Около 30 лет исследователи спорили о том, существуют ли объекты, масса которых попадает в «зазор» между массой самых тяжёлых нейтронных звёзд и массой самых лёгких чёрных дыр. Теперь учёные впервые обнаружили объект, чья масса попадает прямо в этот зазор, который считался практически пустым. «Это очень захватывающее время для исследований гравитационных волн, поскольку мы погружаемся в области, которые обещают изменить наше теоретическое понимание астрофизических явлений, в которых доминирует гравитация», — говорит Алессандра Буонанно, директор Института гравитационной физики Макса Планка в Потсдамском научном парке.

Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что масса нейтронных звёзд не должна превышать тройной массы нашего Солнца. Однако точное значение максимальной массы, которую может иметь нейтронная звезда, чтобы не сколлапсировать в чёрную дыру, неизвестно. «Учитывая электромагнитные наблюдения и наше нынешнее представление о звёздной эволюции, ожидалось, что в диапазоне от трёх до пяти солнечных масс будет очень мало чёрных дыр и нейтронных звёзд. Однако масса одного из недавно обнаруженных объектов точно соответствует этому диапазону», — рассказывает Буонанно.

В последние годы астрономы обнаружили несколько объектов, чья масса потенциально укладывается в этот неисследованный промежуток. В случае с GW190814 LIGO и Virgo идентифицировали объект на нижней границе спектра масс. Однако компактный объект, обнаруженный с помощью гравитационно-волнового сигнала GW230529, — это первый случай, когда его масса однозначно попадает в этот промежуток.

Новый цикл наблюдений с более чувствительными детекторами и улучшенными методами поиска

Очень успешный третий цикл наблюдений за гравитационно-волновыми детекторами завершился весной 2020 года, в результате чего число известных гравитационно-волновых событий достигло 90. Перед началом четвёртого цикла наблюдений 24 мая 2023 года исследователи внесли ряд усовершенствований в детекторы, чтобы повысить их чувствительность.

«Исследователи из Института гравитационной физики имени Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна) в Ганновере совместно с коллегами из LIGO усовершенствовали лазерные источники детекторов LIGO, которые являются сердцем приборов, — объясняет Карстен Данцманн, директор Института Альберта Эйнштейна и директор Института гравитационной физики при Университете Лейбница в Ганновере. — Они обеспечивают высокоточное лазерное излучение с выходной мощностью до 125 ватт с одинаковыми характеристиками на очень коротких и очень длинных временных шкалах». Бенно Вилке, руководитель группы по разработке лазеров в Институте Альберта Эйнштейна в Ганновере, добавляет: «Надёжность и производительность новых твердотельных лазерных усилителей поражает, и я убеждён, что они будут использоваться и при следующей модернизации детектора».

Но не только аппаратура была усовершенствована: новый цикл наблюдений использовал преимущества эффективной инфраструктуры волновых кодов, а точность, скорость и физическое содержание волновых моделей, разработанных в Институте Альберта Эйнштейна в Потсдаме, были улучшены, так что свойства чёрных дыр могут быть получены за несколько дней.

Громкий старт четвёртого наблюдательного цикла

Всего через пять дней после запуска четвёртого цикла наблюдений всё стало по-настоящему интересно: 29 мая 2023 года детектор LIGO Livingston наблюдал гравитационную волну, которая через несколько минут была опубликована как сигнал-кандидат «S230529ay». В результате «онлайн-анализа», который проводился практически в режиме реального времени по мере поступления сигнала, выяснилось, что нейтронная звезда и чёрная дыра, скорее всего, слились примерно в 650 миллионах световых лет от Земли. Однако сказать, где именно произошло слияние, невозможно, поскольку в момент сигнала научные данные регистрировал только один детектор гравитационных волн. Поэтому направление, откуда исходили гравитационные волны, определить не удалось.

Исследователи убедились, что сигнал не был локальным возмущением в детекторе LIGO Livingston, а действительно пришёл из глубокого космоса. «Помимо прочего, мы изучили все возмущения и случайные флуктуации шума детектора, которые похожи на слабые сигналы, — объясняет Франк Охме, руководитель исследовательской группы Макса Планка в Институте Альберта Эйнштейна в Ганновере. — GW230529 явно выделяется на этом фоне и был последовательно обнаружен несколькими независимыми методами поиска. Это явно указывает на астрофизическое происхождение сигнала».

Астрофизики также использовали GW230529 для проверки общей теории относительности Эйнштейна. «GW230529 находится в полном соответствии с предсказаниями теории Эйнштейна, — говорит Элиза Зенгер, аспирантка Потсдамского института имени Альберта Эйнштейна, участвовавшая в исследовании. — Оно позволило получить одни из лучших на сегодняшний день ограничений для альтернативных теорий гравитации с помощью событий гравитационных волн LVK».

GW230529: Нейтронная звезда встретилась с неизвестным компактным объектом

Чтобы определить свойства объектов, которые вращались друг вокруг друга и слились, породив сигнал гравитационных волн, астрономы сравнили данные детектора LIGO Livingston с двумя современными моделями формы волны. «Модели включают в себя ряд релятивистских эффектов, чтобы итоговая модель сигнала была максимально реалистичной и всеобъемлющей, что облегчает сравнение с данными наблюдений», — говорит Гектор Эстеллес Эстрелла, постдокторант из команды Института Альберта Эйнштейна в Потсдаме, который разработал одну из моделей. «Помимо всего прочего, наша волновая модель может точно описать чёрные дыры, вращающиеся в пространстве-времени со скоростью в несколько раз меньшей скорости света и испускающие гравитационное излучение в нескольких гармониках», — добавляет Лоренцо Помпили, аспирант Потсдамского института Альберта Эйнштейна, который также строил эту модель.

GW230529 образовалась в результате слияния компактного объекта, масса которого в 1,3-2,1 раза превышает массу нашего Солнца, с другим компактным объектом, масса которого в 2,6-4,7 раза превышает солнечную. Являются ли эти компактные объекты нейтронными звёздами или чёрными дырами, нельзя с уверенностью определить только на основе анализа гравитационных волн. Однако, основываясь на всех известных свойствах бинара, астрономы полагают, что более лёгкий объект — это нейтронная звезда, а более тяжёлый — чёрная дыра.

Таким образом, масса более тяжёлого объекта уверенно лежит в промежутке масс, который ранее считался в основном пустым. Ни один из предыдущих кандидатов на объекты в этом диапазоне масс не был идентифицирован с такой же уверенностью.

Учёные ожидают новых наблюдений подобных сигналов

Из всех наблюдавшихся на сегодняшний день слияний нейтронной звезды и чёрной дыры GW230529 — это объект, в котором массы двух объектов отличаются меньше всего. Тим Дитрих, профессор Потсдамского университета и руководитель группы стипендиатов Макса Планка в Институте Альберта Эйнштейна, объясняет: «Если чёрная дыра значительно тяжелее нейтронной звезды, то после слияния вне чёрной дыры не остаётся никакой материи, и электромагнитное излучение не испускается. Более лёгкие чёрные дыры, напротив, могут разорвать нейтронную звезду на части своими более мощными приливными силами, выбрасывая вещество, которое может светиться в виде килоновой или гамма-всплеска».

Наблюдение такой необычной системы вскоре после начала четвёртого цикла наблюдений также позволяет предположить, что можно ожидать дальнейших наблюдений подобных сигналов. Исследователи подсчитали, как часто сливаются такие пары, и обнаружили, что эти события происходят по крайней мере так же часто, как и наблюдавшиеся ранее слияния нейтронных звёзд с более тяжёлыми чёрными дырами. Поэтому послесвечение в электромагнитном спектре должно наблюдаться чаще, чем считалось ранее.

Учёные могут лишь сделать предположение о том, как образовался более тяжёлый из компактных объектов — скорее всего, лёгкая чёрная дыра — в бинаре, который излучал GW230529. Она слишком лёгкая, чтобы быть прямым продуктом сверхновой. Возможно — но маловероятно — что она образовалась во время взрыва сверхновой, когда материал, первоначально выброшенный при взрыве, падает обратно и вызывает рост новообразованной чёрной дыры. Ещё менее вероятно, что чёрная дыра образовалась при слиянии двух нейтронных звёзд. Происхождение её как первичной чёрной дыры на заре существования Вселенной также возможно, но не очень вероятно. Наконец, исследователи не могут полностью исключить возможность того, что более тяжёлый объект — это не лёгкая чёрная дыра, а чрезвычайно тяжёлая нейтронная звезда.

Четвёртый цикл наблюдений продолжается

На данный момент в первой половине четвёртого цикла наблюдений был выявлен 81 кандидат на получение значимых сигналов. GW230529 — первый из них, который был опубликован после детального изучения. После нескольких недель перерыва в пуско-наладочных работах и последующего инженерного запуска 10 апреля начинается вторая половина O4. Оба детектора LIGO, Virgo и GEO600, примут участие во второй половине цикла.

Пока продолжаются наблюдения, учёные анализируют данные наблюдений O4a и проверяют оставшиеся 80 кандидатов на получение значимых сигналов, которые уже были идентифицированы. После перерыва чувствительность детекторов должна немного повыситься. Ожидается, что к концу четвёртого цикла наблюдений в феврале 2025 года добавится ещё столько же новых кандидатов, и общее число наблюдаемых гравитационно-волновых сигналов вскоре превысит 200.