Международная группа под руководством Института физики высоких энергий (IGFAE) Университета Сантьяго-де-Компостела в Испании впервые совместно измерила скорость «отдачи» и направление черных дыр после их слияния. Этот результат был опубликован в журнале Nature Astronomy. Исследования показывают, что гравитационные волны не только переносят энергию, но и импульс, придавая последней черной дыре «стартовую» отдачу после слияния черных дыр, позволяя ей двигаться во Вселенной со значительной скоростью.
Гравитационные волны — это рябь в пространстве-времени, предсказанная Эйнштейном в его общей теории относительности 1916 года. Когда чрезвычайно плотные и массивные небесные тела, такие как черные дыры, сильно сталкиваются, такие колебания возбуждаются и распространяются во всех направлениях Вселенной. Поскольку гравитационные волны переносят энергию и импульс системы, то, как только волновое излучение не станет полностью симметричным в пространственном распределении, образовавшаяся черная дыра отскочит под «несбалансированной» тягой, которую также ярко называют «черную дыру пнули ногой». Сила отдачи тесно связана с массой и спином двух исходных черных дыр, а направление отдачи зависит от геометрической конфигурации всей системы в пространстве.
В прошлом учёные в основном могли измерить несколько геометрических параметров, таких как наклонение орбиты, по сигналам гравитационных волн. Другой ключевой угол, азимутальный угол, трудно получить точно. Эта исследовательская группа обнаружила, что «моды высшего порядка» в гравитационных волнах содержат геометрическую информацию, которую раньше было трудно прочитать, и которую можно использовать для восстановления этого недостающего угла и расчета трехмерного направления отдачи.
Исследователи использовали событие гравитационной волны GW190412, которое было совместно обнаружено обсерваториями Advanced LIGO и Virgo в 2019 году, в качестве образца для проверки метода. В этом случае массы двух черных дыр явно не равны, поэтому они демонстрируют четко различимые особенности моды высокого порядка в сигнале, что очень удобно для тонкого анализа. С помощью точного численного моделирования, основанного на уравнениях Эйнштейна, команда рассчитала, что скорость отдачи слившейся черной дыры превышает 50 километров в секунду, что достаточно быстро, чтобы она могла вырваться из некоторых плотных звездных скоплений (например, некоторых шаровых звездных скоплений). Фактор Байеса, полученный в результате статистического анализа, составляет около 21, что соответствует уровню достоверности около 95%, что обеспечивает убедительную поддержку этого вывода.
При определении скорости команда также сравнила направление отдачи с эталонными направлениями, такими как ось орбиты системы и направление наблюдения Земли. Результаты показали, что «удар» был направлен не по орбитальной плоскости и не прямо на Землю, а в промежуточном направлении между ними. Профессор Хуан Кальдерон-Бустилло, один из участников проекта, провел аналогию: сигнал гравитационной волны подобен оркестру. В зависимости от положения человека слышимые «инструменты» будут разными, и эта «цветовая разница тонов» помогает ученым реконструировать траекторию движения черной дыры в трехмерном пространстве. Доктор Кустав Чандра из Университета штата Пенсильвания отметил, что этот метод эквивалентен реконструкции истинного движения небесных тел на расстоянии миллиардов световых лет с использованием только «ряби» в пространстве и времени.
Автор сказал, что такие точные измерения отдачи особенно важны для изучения слияний черных дыр, которые происходят в особых условиях. Например, в активных ядрах галактик с аккреционными дисками слияния черных дыр могут сопровождаться такими сигналами, как видимый свет и электромагнитное излучение. Сможем ли мы наблюдать эти вспышки, во многом зависит от относительного геометрического соотношения между направлением отдачи и Землей. Таким образом, знание направления отдачи может помочь астрономам судить, действительно ли определенное событие гравитационной волны и электромагнитный всплеск являются результатом одного и того же космического события или это просто совпадение во времени.
Исследовательская группа считает, что эта работа знаменует собой то, что гравитационно-волновая астрономия постепенно выходит из стадии «происходят только слуховые слияния» и вступает в новую стадию, которая может тщательно отображать пространственную структуру и динамические процессы событий. В будущем, по мере увеличения чувствительности детекторов и увеличения выборки событий, одновременное измерение скорости отдачи и направления черных дыр станет рутинным методом, помогающим научному сообществу более четко понять, как черные дыры растут и мигрируют во Вселенной, а также определять эволюцию галактик и крупномасштабных структур.