Исследователи из Института космологии и гравитации (ICG) Портсмутского университета совместно с коллаборацией LIGO-Virgo-KAGRA, включающей в себя более 1600 учёных из разных стран, обнаружили сигнал гравитационных волн, который может содержать ключ к разгадке одной из космических тайн.

В мае 2023 года, после начала четвёртого наблюдательного запуска LIGO-Virgo-KAGRA, детектор LIGO в Луизиане зафиксировал сигнал от столкновения, вероятно, нейтронной звезды и компактного объекта, имеющего массу 2,5-4,5 раза больше массы Солнца. 

Слияние чёрной дыры ниже границы масс (тёмно-серый) с нейтронной звездой (оранжевый).
Источник: I. Markin (Potsdam University), T. Dietrich (Potsdam University and Max Planck Institute for Gravitational Physics), H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics).

Что делает сигнал, названный GW230529, интересным, — это масса более тяжёлого объекта. Она находится в пределах возможного разрыва масс между самыми тяжёлыми известными нейтронными звёздами и самыми лёгкими чёрными дырами. Сам по себе гравитационно-волновой сигнал не может раскрыть природу объекта, лишь будущие обнаружения подобных событий, особенно сопровождающиеся вспышками электромагнитного излучения, могли бы помочь решить эту проблему.

Доктор Джесс МакИвер, представитель научного сотрудничества LIGO, отмечает, что это открытие, первое из цикла LIGO-Virgo-KAGRA, указывает на возможность более частых столкновений нейтронных звёзд и чёрных дыр малой массы, чем предполагалось ранее.

Поскольку это событие было замечено только одним детектором гравитационных волн, оценить его реальность становится сложнее. Доктор Гарет Кэборн Дэвис, исследователь-инженер из ICG, разработал инструменты поиска событий от одного детектора. Он отметил: «Подтверждение событий путём наблюдения за ними с помощью нескольких детекторов — один из самых лучших способов в отделении сигналов от шума. Но используя модели шума, мы можем судить о событии, даже если у нас нет другого детектора, который мог бы подтвердить наблюдение».

До регистрации гравитационных волн в 2015 году массы чёрных дыр и нейтронных звезд определялись с использованием рентгеновских и радио наблюдений, соответственно. Полученные измерения попадали в два отдельных диапазона с разрывом масс между ними примерно в два-пять раз больше массы нашего Солнца. За прошедшие годы небольшое количество измерений оказалось в меньшем диапазоне масс и вызвали дискуссии в научном сообществе относительно разницы в массе этих объектов.

Анализ сигнала GW230529 показывает, что он произошёл в результате слияния двух объектов: один из них был в 1,2-2 раза массивнее Солнца, а другой — более чем в два раза. Вероятно, меньший объект являлся нейтронной звездой, а более крупный — чёрной дырой. В подтверждении этой гипотезы поможет дальнейшее исследование данного сигнала международным сообществом учёных LIGO-Virgo-KAGRA.

В настоящее время благодаря наблюдениям гравитационных волн у учёных имеется почти 200 измерений масс компактных объектов. Однако только одно слияние, известное под названием GW190814, привлекло особое внимание, так как оно могло быть связано с компактным объектом, масса которого превышает массу самых тяжелых нейтронных звёзд и, возможно, находится в пределах разницы масс.

«Эта система особенно интересна, так как это первый случай обнаружения гравитационных волн, связанных с объектом с разницей масс в паре с нейтронной звездой», — отмечает доктор Сильвия Бисковану из Северо-Западного университета. «Наблюдение этой системы имеет важные последствия для теорий бинарной эволюции и может служить аналогом к электромагнитному излучению от слияний компактных объектов».

Четвёртый цикл наблюдений запланирован на 20 месяцев, включая перерывы для технического обслуживания детекторов и внесения необходимых доработок. На сегодня было идентифицировано 81 значимое событие. GW230529 — первое из них, которое было опубликовано после детального анализа.

Четвёртый цикл наблюдений возобновился 10 апреля 2024 года, когда детекторы LIGO Hanford, LIGO Livingston и Virgo были запущены в работу одновременно. Продолжение наблюдений планируется до февраля 2025 года без перерывов.