Международная группа исследователей из Китая и Италии сообщила о возможном продолжении знакового открытия 2017 года, полученного с помощью мультимессенджеров. В ноябре 2024 года обсерватории LIGO-Virgo-KAGRA зафиксировали гравитационные волны от слияния двойной черной дыры, обозначенной как S241125n. Примечательно, что всего через несколько секунд спутники зарегистрировали короткий гамма-всплеск (GRB) в той же области неба.
Как правило, слияния двойных черных дыр не приводят к появлению электромагнитных аналогов. S241125n может представлять собой очень редкое событие, связанное с гравитационными волнами, которое было связано с гамма-всплеском в нескольких диапазонах длин волн, что открывает новые возможности для мультимессенджерной астрономии. Хотя эта связь еще не окончательна и потребует дальнейших исследований, вероятность случайного совпадения представляется низкой, что делает результат статистически интригующим, но требует осторожности.
Редкое событие, связанное с гравитационными волнами, с необычным электромагнитным спектром, находится в стадии формирования
Гравитационные волны — это рябь в пространстве-времени, возникающая в результате мощных космических событий. Считалось, что столкновения черных дыр «темны» для обычных телескопов и не излучают свет. Однако событие S241125n 2024 года, по-видимому, опровергает это представление. Примерно через 11 секунд после сигнала гравитационных волн обсерватория Swift НАСА зафиксировала короткий гамма-всплеск в том же участке неба, а вскоре после этого новый китайский спутник Einstein Probe обнаружил рентгеновское послесвечение в этом районе.
Ученые отмечают, что корреляция между сигналом гравитационных волн и гамма-всплеском вряд ли является простым совпадением. Совместный анализ группы, опубликованный в журнале The Astrophysical Journal, оценивает суммарную частоту ложных срабатываний примерно в одно событие за 30 лет наблюдений. «Эта оценка намеренно занижена, и истинная вероятность случайного совпадения может быть еще ниже. Однако в интересах научной строгости мы пока не можем сделать окончательный вывод. Тем не менее, это, безусловно, очень интригующее событие», — объясняют исследователи.
Интересно, что полная энергия , светимость и длительность этого источника аналогичны показателям типичного короткого гамма-всплеска. Однако показатели фотонов отличаются от типичных. Показатель фотонов мгновенного излучения мягче, чем у типичного источника, а послесвечение жестче, чем у типичного. Это предполагает, что данный источник может обладать особым механизмом излучения или иным эффектом распространения.
Чёрные дыры экстремальных расстояний и огромного веса
Одна из поразительных особенностей S241125n — это его экстремальное расстояние. Гравитационные волны прошли примерно 4,2 миллиарда световых лет, чтобы достичь Земли (красное смещение z ≈ 0,73), что означает, что это столкновение произошло, когда Вселенная была значительно моложе. Причастные к столкновению черные дыры были необычайно массивными.
Анализ показывает, что суммарная масса слившейся пары превышала массу Солнца более чем в 100 раз, что делает их одними из самых массивных слияний черных дыр, зарегистрированных в истории. Для сравнения, большинство слияний черных дыр, наблюдаемых LIGO, имеют суммарную массу в несколько десятков солнечных масс. Такое массивное слияние является редким и интригующим, поскольку оно указывает на то, что каждая черная дыра могла образоваться в результате более ранних слияний или экзотических процессов формирования.
Обнаружение слияния массивных черных дыр на z ~0,73 также предполагает, что подобные события можно наблюдать на огромных расстояниях. «Услышать» слияния черных дыр на расстоянии миллиардов световых лет и, возможно, увидеть вспышку от них — это замечательное достижение современной астрофизики. Это ставит перед исследователями задачу объяснить, как пары черных дыр такого размера могут производить электромагнитные фейерверки, явление, не ожидаемое в вакууме космоса.
Слияние в активном центре галактики
Исследовательская группа, возглавляемая учеными из Китая (Китайский университет науки и технологий, Шанхайская астрономическая обсерватория и Нинбоский университет) и Италии (Международный центр релятивистской астрофизики, Итальянский национальный институт астрофизики и Университет Феррары), предлагает смелое объяснение того, как столкновение черных дыр могло породить короткий гамма-всплеск. Они предполагают, что две черные дыры слились внутри плотного диска из газа и пыли, окружающего центральную сверхмассивную черную дыру галактики, в среде, известной как диск активного галактического ядра (АГЯ).
В этих бурлящих галактических ядрах огромные объемы вещества вращаются вокруг центральной черной дыры, создавая естественную «богатую топливом» среду. Если в таком диске происходит слияние двух черных дыр, то оно происходит не изолированно, а в плотной среде из большого количества вещества.
Согласно модели, разработанной командой, при слиянии черных дыр новообразованная черная дыра получила мощный толчок (скорость отдачи) от асимметричного излучения гравитационных волн. Эта получившая толчок черная дыра, теперь движущаяся сквозь окружающий газ, быстро поглотит вещество на своем пути. Скорость аккреции может быть сверхэддингтоновской, намного превышая нормальный предел, при котором черная дыра может стабильно поглощать материю.
По сути, слияние превратило черную дыру в ненасытный двигатель. Считается, что такая интенсивная аккреция в намагниченной среде запускает релятивистские струи, благодаря которым вращающаяся энергия черной дыры питает две струи излучения и частиц, выбрасываемых наружу почти со скоростью света.
По мере того, как струя прорывалась сквозь массивный диск активного ядра галактики, она генерировала ударные волны в плотном газе. Первоначально энергия струи была заключена внутри диска, вызывая термизацию газа (представьте себе скороварку из фотонов). Но когда струя, наконец, пробилась к поверхности диска, эти фотоны смогли вырваться наружу. Результат: вспышка высокоэнергетического излучения, вырывающаяся из ядра галактики.
По сути, как утверждают исследователи, этот процесс приведет к короткому гамма-всплеску, не от слияния нейтронных звезд, как обычно, а от слияния черных дыр в необычной среде. Такой «прорыв ударной волны» из диска приведет к комптонизированному (термализованному) спектру гамма-излучения, который, что любопытно, совпадает с тем, что наблюдал Swift: быстрое излучение гамма-всплеска было необычно мягким (с низкой энергией фотонов) по сравнению с типичными короткими гамма-всплесками.
Новое окно мультимессенджерной астрономии
Если эта связь между гравитационными волнами и гамма-всплесками подтвердится, это ознаменует новую эру исследования слияний черных дыр как «ушами», так и «глазами». До сих пор слияния двойных черных дыр «слышали» только с помощью гравитационных волн; S241125n предполагает, что при особых условиях их можно также увидеть (в высокоэнергетическом свете). Это откроет широкие возможности для изучения условий окружающей среды вокруг сливающихся черных дыр и физики образования струй в плотных средах. Такое двойное измерение может даже уточнить наши оценки космического расширения, используя это событие в качестве «стандартного сигнала» (индикатора расстояния по гравитационным волнам) с идентифицированным красным смещением галактики-хозяина.
Это событие также подчеркивает важность командной работы нескольких источников информации: детекторы гравитационных волн зафиксировали «звук» слияния, гамма- и рентгеновские телескопы — его «вспышку», и вместе они рассказывают гораздо более полную историю, чем каждый из них по отдельности.
По мере того, как астрономическое сообщество изучает это событие, новые данные могут еще больше укрепить эту версию. Авторы предлагают искать характерные следы в сигнале гравитационных волн, такие как остаточная эксцентричность орбиты, обусловленная динамической дисковой средой активного ядра галактики. Они также выступают за проведение глубоких наблюдений в этом регионе для поиска галактики-хозяина (вероятно, далекой галактики, содержащей яркое активное ядро галактики).
В заключение, потенциальное обнаружение гамма-всплеска от слияния черных дыр — это захватывающее и неожиданное событие. Оно предполагает, что при определенных условиях даже самые темные космические столкновения могут осветить Вселенную. Спустя семь лет после того, как была зарегистрирована первая гравитационная волна света, это событие, находящееся на полпути через наблюдаемую Вселенную и включающее черные дыры массой более 100 солнечных масс, может стать нашим следующим перспективным кандидатом в мультимессенджерной астрономии, предвещающим новые способы изучения космоса.
