Най-големият сблъсък на черни дупки, открит някога, оспорва физичните теории

Гравитационните вълни разкриват раждането на черна дупка с около 225 пъти по-голяма маса от тази на слънцето

Ваня Милева Последна промяна на 15 юли 2025 в 00:00 128 0

плакат

Кредит Simona J. Miller/Caltech
Експериментите с гравитационни вълни LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) съобщиха за откриването на сливането на най-масивните черни дупки, наблюдавани някога с гравитационни вълни. Сливането доведе до образуването на черна дупка, която в крайна сметка има маса над 240 пъти по-голяма от тази на нашето слънце. Сигналът, наречен GW231123, бе наблюдаван по време на четвъртата вълна от наблюдения (O4) на мрежата LVK на 23 ноември 2023 г. в обсерваториите LIGO в Ханфорд и Ливингстън. Nikhef, заедно с други институти, е партньор в сътрудничеството на LVK и е тясно свързан с детектора на гравитационни вълни Virgo в Италия.

Определен като "епичен", сблъсъкът на две черни дупки е толкова екстремен, че оспорва физичните теории за това как се образуват и сливат големи черни дупки, съобщава Science News.

Двете черни дупки имат маси, по-големи от всички потвърдени досега при подобен сблъсък. Едната е с около 140 пъти масата на слънцето, а другата около 100 пъти слънчевите маси. И двете се въртят с почти максималната скорост, позволена от физиката.

"Не смятахме, че е възможно да се образуват черни дупки с такива маси по обичайния механизъм на звезда, която колапсира след смърта си", споделя физикът Марк Ханам (Mark Hannam) от Университета в Кардиф в Уелс, физик, работещ с Лазерната интерферометрична гравитационно-вълнова обсерватория (LIGO), която е засекла събитието. Това кара изследователите да обмислят и други варианти на предисторията на черните дупки.

Учените извличат свойствата на черните дупки от трептенията на тъканта на пространство-времето, наречени гравитационни вълни. Тези вълни са били засечени на 23 ноември 2023 г. от двата детектора на LIGO в Ханфорд, Вашингтон, и Ливингстън, Луизиана.

Двете черни дупки се въртят спираловидно една около друга, приближавайки се все повече и повече, преди да се слеят в една, излъчвайки гравитационни вълни. Този процес довежда до сливане в една черна дупка с маса около 225 пъти по-голяма от тази на слънцето, съобщават изследователи в статия, публикувана на 13 юли в arXiv.org и представена на Международната конференция по Обща теория на относителността и гравитацията и на конференцията "Едоардо Амалди" за гравитационни вълни в Глазгоу, Шотландия, на 14 юли.

Най-големият потвърден преди това сблъсък е довел до черна дупка с около 140 слънчеви маси, обявен от изследователи през 2020 г. В новото събитие дори само една от двете черни дупки има подобна маса.

Черните дупки с маси под около 60 пъти тази на слънцето се образуват, когато звезда колабира в края на жизнения си цикъл. Но има диапазон от маси за черните дупки - между около 60 и 130 слънчеви маси - където се смята, че този механизъм не работи. Очаква се звездите, които биха образували черните дупки в този диапазон на масите, да експлодират напълно, когато умрат, без да оставят след себе си остатъчна черна дупка.

За новооткритите черни дупки, несигурността относно оценките за масата означава, че е вероятно поне една от тях - а вероятно и двете - да е попаднала в този забранен за такива маси диапазон - така наречена "пропаст на масите" (mass gap) - липсата на черни дупки между 2,5 и 5 пъти масата на Слънцето.

Грандиозен сблъсък на гиганти

Две черни дупки се сливат, за да образуват по-голяма черна дупка (масите са изобразени в черни кръгове, като хоризонталните линии представят каква е несигурността на данните). Масите на черните дупки попадат в "пропастта на масите" (жълто), където се смята, че черните дупки не се образуват директно от умиращи звезди. А черните дупки са по-масивни от други, виждани преди. Разпределението на масите на черните дупки, определено от предишни сблъсъци на черни дупки (синьо), покрива по-нисък диапазон от маси.

Графиката показва различни маси на черни дупки, като разпределението на известните, по-леки маси на черни дупки е отляво, а на по-тежките, новооткрити черни дупки, отдясно. Кредит: Simona J. Miller/Caltech; adapted by J. Hirshfeld

За да запазят идеята за разликата в масите, учените търсят други обяснения за раждането на двете черни дупки.

Една от възможностите е те да са били част от поколение, дошло от предишни сливания, тоест всяка черна дупка се е образувала от по-ранен сблъсък на по-малки черни дупки. Такива повтарящи се сливания биха могли да се случват в гъсти струпвания от звезди и черни дупки. И биха довели до бързо въртящи се черни дупки като наблюдаваните.

Всяка черна дупка има максимална възможна скорост на въртене, в зависимост от нейната маса. Една от черните дупки в сблъсъка се е въртяла с около 90% от ограничението си на скорост, а другата - близо до 80%. Това са сред най-високите скорости на въртене на черни дупки, които LIGO е измерил със сигурност. Това бързо въртене подкрепя аргумента за сценария на многократно сливане, отбелязва Ханам.

"Виждали сме признаци на подобно нещо и преди, но нищо толкова екстремно като това."

Но има проблем с това потенциално обяснение, смята Коул Милър (Cole Miller) от Университета на Мериленд в Колидж Парк, който не е участвал в изследването. Масите на черните дупки са толкова големи, че ако произлизат от предишни сливания, то изисква няколко поколения предци.

Това би предполагало черни дупки, които се въртят бързо, но не чак толкова бързо, колкото тези черни дупки, казва Милър. Това е така, защото черните дупки, които са се слели в предишни поколения, биха могли да се въртят в най-различни посоки.

Има алтернативно обяснение, което е че черните дупки са се струпали в сянката на много по-голяма черна дупка, в така нареченото активно галактическо ядро. Това е област от галактика, обграждаща централната свръхмасивна черна дупка, която се храни от диск от газ. Ако черните дупки са се родили или са попаднали в този диск, те биха могли да погълнат газ, увеличавайки масата си, преди да се слеят.

И в тази хипотеза Милър намира проблем. Според данните двете черни дупки, които са се слели при сблъсъка, не са били перфектно подравнени - те не са се въртели в една и съща посока. Това противоречи на предположението, че са били разположени в един и същ диск.

"Това събитие няма ясно и очевидно съвпадение с нито един от основните механизми на образуване", посочва Милър.

Нито едно предположение не пасва идеално, но и нито едно не е напълно изключено. Дори най-простото обяснение, с черни дупки, образувани директно от колапсиращи звезди, все още би могло да е възможно, ако едната дупка е била над пропаста на масите, а другата - под нея.

Тъй като черните дупки са толкова масивни, учените успяват да уловят само последните няколко трептения на гравитационни вълни, около 0.1 секунда от края на сблъсъка. Това прави събитието особено трудно за интерпретация. Нещо повече, тези черни дупки са били толкова екстремни, че моделите, които учените използват, за да интерпретират свойствата им, не съвпадат напълно. Това води до по-малка сигурност относно характеристиките на черните дупки. По-нататъшната работа би могла да подобри разбирането за свойствата на черните дупки и как са се образували.

Някои физици съобщават за признаци, че има още по-големи черни дупки. При повторен анализ на по-ранни публични данни от LIGO, екип физици открива доказателства за пет сблъсъка, които са създали черни дупки с маси около 100 до 300 пъти по-големи от тези на слънцето, съобщава астрофизикът Каран Джани (Karan Jani) и колегите му на 28 май в Astrophysical Journal Letters. Но тези черни дупки все още не са потвърдени.

Справка:

The LIGO Scientific Collaboration, the Virgo Collaboration and the KAGRA Collaboration. GW231123: a Binary Black Hole Merger with Total Mass 190-265 M⊙.  Published online July 13, 2025.

S. Bini. New results from the LIGO, Virgo and KAGRA Observatory Network. The International Conference on General Relativity and Gravitation and the Edoardo Amaldi Conference on Gravitational Waves. Glasgow, July 14, 2025.

K. Ruiz-Rocha et al. Properties of “lite” intermediate-mass black hole candidates in LIGO-Virgo’s third observing run. Astrophysical Journal Letters. Vol. 985, May 28, 2025, doi: 10.3847/2041-8213/adc5f8

Източник: The biggest black hole smashup ever detected challenges physics theories, Science News

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Космос

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !