Международная коллаборация LIGO–Virgo–KAGRA сообщила о регистрации двух новых событий гравитационных волн, произошедших в октябре и ноябре 2024 года. Оба столкновения — GW241011 и GW241110 — выделяются необычными свойствами вращения чёрных дыр и, по словам физиков, дают редкое свидетельство того, что часть этих объектов может быть «второго поколения» — образованных из остатков предыдущих слияний.
Первое событие, GW241011, произошло около 700 миллионов световых лет от Земли. Оно стало результатом столкновения чёрных дыр массой примерно 17 и 7 солнечных. Более массивная из них оказалась одной из самых быстро вращающихся, когда-либо зарегистрированных. Спустя месяц, 10 ноября, детекторы зафиксировали GW241110 — слияние, произошедшее на расстоянии примерно 2,4 миллиарда световых лет. Здесь участвовали чёрные дыры массой около 16 и 8 солнечных, но особенность заключалась в том, что крупная чёрная дыра вращалась в направлении, противоположном орбите системы — это первое за всю историю наблюдений ретроградное вращение. Такие двойные системы давно предсказывались, но лишь сейчас получено первое прямое подтверждение их существования.
По словам профессора Стивена Фэрхерста из Кардиффского университета, оба события отличаются заметным неравенством масс и быстрым вращением одной из чёрных дыр, что указывает на их происхождение из более ранних слияний. «GW241011 и GW241110 — одни из самых необычных событий из сотен, зарегистрированных сетью LIGO–Virgo–KAGRA. Они дают убедительные признаки того, что некоторые чёрные дыры рождаются в результате предыдущих столкновений», — отметил он.
Такой сценарий называют иерархическим слиянием: когда чёрные дыры формируются и сталкиваются в плотных звёздных скоплениях, где их орбиты часто пересекаются. Эти открытия показывают, что некоторые чёрные дыры существуют не в одиночку, а как часть плотной и динамичной группы.
Событие GW241011 также позволило проверить основные предсказания общей теории относительности Эйнштейна. Быстрое вращение деформирует пространство-время и оставляет характерный отпечаток в гравитационных волнах. Анализ сигнала показал полное соответствие решению, описанному математиком Роем Керром, и подтвердил предсказания Эйнштейна с беспрецедентной точностью. Кроме того, из-за разницы масс сигнал GW241011 содержал так называемые «высшие гармоники» — дополнительные колебания, подобные обертонам музыкальных инструментов. Один из таких обертонов был зафиксирован исключительно ясно — всего в третий раз за всю историю наблюдений.
Не менее важно, что быстро вращающиеся чёрные дыры дают возможность искать новые элементарные частицы. Согласно ряду теорий, сверхлёгкие бозоны могли бы «воровать» часть вращательной энергии чёрных дыр. Однако тот факт, что массивная чёрная дыра в системе GW241011 по-прежнему вращается очень быстро, исключает целый диапазон возможных масс таких частиц.
Инструменты LIGO и Virgo вновь показали, как образуются двойные чёрные дыры и какие фундаментальные физические законы управляют их поведением. С дальнейшими улучшениями физики смогут изучать эти процессы с ещё большей точностью.