Исследователи из Университета Кардиффа обнаружили своеобразное закручивающееся движение на орбитах двух сталкивающихся черных дыр — экзотическое явление, предсказанное теорией гравитации Эйнштейна.

Их исследование, опубликованное в журнале Nature под руководством профессора Марка Ханнэма, доктора Чарли Хоя и доктора Джонатана Томпсона, сообщает, что это первый случай, когда этот эффект, известный как прецессия, наблюдается в черных дырах, где скручивание составляет 10 млрд. раз быстрее, чем в предыдущих наблюдениях.

Двойная система черных дыр была обнаружена с помощью гравитационных волн в начале 2020 года с помощью детекторов Advanced LIGO и Virgo. Одна из черных дыр, в 40 раз больше нашего Солнца, вероятно, является самой быстро вращающейся черной дырой, которую можно обнаружить с помощью гравитационных волн. И, в отличие от всех предыдущих наблюдений, быстро вращающаяся черная дыра настолько исказила пространство и время, что вся орбита двойной системы качалась взад и вперед.

Эта форма прецессии характерна для общей теории относительности Эйнштейна. Эти результаты подтверждают его существование в самом экстремальном физическом событии, которое мы можем наблюдать, — столкновении двух черных дыр.

«Мы всегда думали, что двойные черные дыры могут делать это», — сказал профессор Марк Ханнэм из Института исследования гравитации Кардиффского университета. «Мы надеялись найти пример с момента первого обнаружения гравитационных волн. Нам пришлось ждать пять лет и более 80 отдельных обнаружений, но, наконец, у нас есть одно!»

Более приземленный пример прецессии — раскачивание волчка, который может раскачиваться — или прецессировать — раз в несколько секунд. Напротив, прецессия в общей теории относительности обычно настолько слаба, что незаметна. В самом быстром примере, ранее измеренном на орбитальных нейтронных звездах, называемых двойными пульсарами, прецессия орбиты заняла более 75 лет. Двойная черная дыра в этом исследовании, в просторечии известная как GW200129 (названная в честь даты ее наблюдения, 29 января 2020 года), прецессирует несколько раз в секунду — эффект в 10 миллиардов раз сильнее, чем измеренный ранее.

Доктор Джонатан Томпсон, также из Университета Кардиффа, объяснил: «Этот эффект очень сложно идентифицировать. Гравитационные волны чрезвычайно слабы, и для их обнаружения требуется самый чувствительный измерительный прибор в истории. сигнал, поэтому нам пришлось провести тщательный анализ, чтобы обнаружить его».

Гравитационные волны были предсказаны Эйнштейном в 1916 году. Впервые они были обнаружены непосредственно в результате слияния двух черных дыр с помощью инструментов Advanced LIGO в 2015 году, что стало прорывным открытием, которое привело к Нобелевской премии 2017 года. Гравитационно-волновая астрономия в настоящее время является одной из наиболее динамично развивающихся областей науки, где в США, Европе и Японии работает сеть детекторов Advanced LIGO, Virgo и KAGRA. На сегодняшний день было обнаружено более 80 случаев слияния черных дыр или нейтронных звезд.

«До сих пор большинство черных дыр, которые мы обнаружили с помощью гравитационных волн, вращались довольно медленно», — сказал доктор Чарли Хой, исследователь из Университета Кардиффа во время этого исследования, а теперь из Университета Портсмута. «Более крупная черная дыра в этой двойной системе, которая была примерно в 40 раз массивнее Солнца, вращалась почти с максимально возможной физически скоростью. Наши современные модели формирования двойных систем предполагают, что это было чрезвычайно редко, может быть, одно из тысячи событий. … Или это может быть признаком того, что наши модели должны измениться».

Международная сеть детекторов гравитационных волн в настоящее время модернизируется и начнет свой следующий поиск во Вселенной в 2023 году. Они, вероятно, обнаружат еще сотни сталкивающихся черных дыр и расскажут ученым, был ли GW200129 редким исключением или признаком того, что наша вселенная еще более странная, чем они думали.

Авторы были частично поддержаны финансированием Совета по науке и технологиям (STFC) и Европейского исследовательского совета (ERC).