Ученые обнаружили первое убедительное доказательство того, что черная дыра и нейтронная звезда столкнулись, но перед слиянием двигались по овальной траектории, а не по кругу. Это открытие ставит под сомнение устоявшиеся представления о том, как формируются и эволюционируют эти космические пары. Исследователи из Бирмингемского университета, Мадридского автономного университета и Института гравитационной физики Общества Макса Планка опубликовали результаты своих исследований в The Astrophysical Journal Letters.
Предполагается, что большинство пар нейтронных звезд и черных дыр переходят на круговые орбиты задолго до слияния. Однако анализ гравитационно-волнового события GW200105 показывает, что эта система двигалась по овальной орбите задолго до слияния, в результате которого образовалась черная дыра, в 13 раз превосходящая по массе Солнце. Овальная орбита — явление, ранее не наблюдавшееся при подобных столкновениях.
Доктор Патрисия Шмидт из Бирмингемского университета сказала: «Это открытие дает нам важную информацию о том, как формируются эти экстремальные объекты. Оно говорит о несовершенстве наших теоретических моделей, и поднимает новые вопросы о том, где во Вселенной рождаются подобные системы».
Исследователи проанализировали данные детекторов LIGO и Virgo с помощью новой модели гравитационных волн, разработанной в Бирмингемском университете. Это позволило измерить как «овальность» орбиты (эксцентриситет), так и любое вызванное вращением колебание (прецессию). Впервые эти два эффекта были измерены одновременно при столкновении нейтронной звезды с черной дырой.
Герайнт Праттен, научный сотрудник Королевского общества из Бирмингемского университета, сказал: «Эллиптическая форма орбиты непосредственно перед слиянием показывает, что эта система не развивалась спокойно в изоляции, а почти наверняка сформировалась в результате гравитационного взаимодействия с другими звездами или с третьим компаньоном».
Байесовский анализ, в ходе которого тысячи теоретических предсказаний сравнивались с реальными данными, показал, что вероятность круговой орбиты составляет 0,5 %.
В предыдущих анализах GW200105, в которых предполагалась круговая орбита, масса черной дыры была занижена, а масса нейтронной звезды — завышена. Новое исследование корректирует эти значения и не находит убедительных доказательств прецессии, что указывает на то, что эксцентриситет возник в процессе формирования системы, а не из-за вращения.
Гонсало Моррас из Института гравитационной физики Общества Макса Планка сказал: «Это убедительное доказательство того, что не все пары нейтронных звезд и черных дыр имеют одинаковое происхождение. Эксцентричная орбита указывает на то, что они образовались в среде, где многие звезды гравитационно взаимодействуют друг с другом».
Это открытие ставит под сомнение общепринятое мнение о том, что все слияния нейтронных звёзд и чёрных дыр происходят в результате одного доминирующего процесса, и подчёркивает необходимость в более продвинутых моделях волновых форм, способных отразить всю сложность этих систем.
Исследование помогает объяснить растущее разнообразие слияний компактных двойных систем и открывает возможности для выявления еще более необычных сценариев по мере увеличения количества обнаружений гравитационных волн.
[Фото: Geraint Pratten, Royal Society University Research Fellow, University of Birmingham]
