LIGO заподозрила, что черные дыры излучают свет

Миллиарды лет назад две черных дыры намного массивнее Солнце — 31 и 19 солнечных масс каждая — слились воедино в далекой галактике. 4 января 2017 года эти гравитационные волны, путешествующие через Вселенную на скорости света, наконец-то добрались до Земли, где сжали и растянули нашу планету на несколько атомов. Этого было достаточно, чтобы два детектора LIGO в Вашингтоне и Луизиане подхватили сигнал и в точности восстановили, что произошло. В третий раз за всю историю мы напрямую наблюдали гравитационные волны. Между тем телескопы и обсерватории по всему миру, включая и те, что на орбите Земли, искали совершенно другой сигнал: что-то вроде света или электромагнитного излучения, который эти сливающиеся черные дыры могли бы выдать.

Иллюстрация двух сливающихся черных дыр сопоставимой массы с теми, что увидели в LIGO. Ожидается, что на такое слияние должно производить крайне мало электромагнитных сигналов, но присутствие сильно нагретого вещества возле таких объектов может это изменить

Согласно нашим лучшим моделям физики, слияние черных дыр не должно излучать вообще никакого света. Массивная сингулярность, окруженная горизонтом событий, может излучать гравитационные волны из-за меняющейся кривизны пространства-времени, поскольку вращается вокруг другой гигантской массы, и общая теория относительности эти подразумевает. Поскольку гравитационная энергия в виде излучения должна откуда-то браться, конечная черная дыра после слияния будет на несколько солнечных масс легче суммы исходников, ее породивших. Это полностью соответствует двум другим слияниям, которые наблюдала LIGO: около 5% исходных масс были преобразованы в чистую энергию в виде гравитационного излучения.

Массы известных бинарных систем черных дыр, включая три подтвержденных LIGO слияния и одного кандидата на слияние

Но если есть что-то за пределами этих черных дыр, таких как аккреционный диск, «файрвол», жесткая оболочка, диффузное облако или что-либо еще, ускорение и нагрев этого материала могут создать электромагнитное излучение, распространяющееся вместе с нашими гравитационными волнами. После первого обнаружения LIGO, Fermi Gamma-ray Burst Monitor заявил, что зафиксировал всплеск высокой энергии, совпадающей со временем сигнала гравитационной волны. К сожалению, спутник ЕКА не только не смог подтвердить результаты Ферми, но и ученые, работающие там, обнаружили недостаток в анализе Fermi своих данных, полностью дискредитировав их результаты.

Слияние двух черных дыр глазами художника, с диском аккреции. Плотности и энергии вещества здесь должно быть недостаточно для создания гамма-лучей или рентгеновских всплесков, но кто знает, на что способна природа

Второе слияние не продемонстрировало таких намеков на электромагнитные сигналы, но это и не удивительно: черные дыры имели значительно меньшую массу, поэтому любой сигнал, который они бы выдали, был бы соответственно ниже по величине. Но третье слияние тоже было большим по массе, больше сопоставимым с первым, нежели со вторым. Хотя «Ферми» ничего не сказала, а спутник Integral ЕКА также промолчал, было два намека на то, что электромагнитное излучение могло иметь место. Спутник AGILE Итальянского космического агентства зафиксировал слабую, недолго живущую вспышку, которая произошла за полсекунды до слияния на LIGO, а рентгеновские, радио- и оптические наблюдения в сумме идентифицировали странно.

Если что-то из этого можно было бы связать со слиянием черных дыр, это было бы совершенно невероятно. Мы так мало знаем о черных дырах в целом, чего уж говорить о сливающихся оных. Мы никогда не видели их своими глазами, хотя Event Horizon Telescope вроде как сделает снимок до конца этого года. Мы только в этом году выяснили, что черные дыры не имеют твердых оболочек, окружающих горизонт событий, но и этот факт был статистическим. Поэтому когда речь заходит о возможности того, что черные дыры могут иметь электромагнитные утечки, стоит держать разум открытым.

Далекие, массивные квазары демонстрируют сверхмассивные черные дыры в своих ядрах, их электромагнитные утечки легко обнаружить. Но мы пока не видели, чтобы сливающиеся черные дыры (особенно с низкой массой, меньше 100 солнц) излучали что-либо, что можно обнаружить

К сожалению, ни одно из этих наблюдений не дает необходимых данных, чтобы подвести нас к тому, что мы заключим, что черные дыры при слиянии могут испускать что-либо в электромагнитном спектре. Вообще, довольно сложно получить убедительные доказательства, поскольку даже близнец-детекторы LIGO, работающие с невероятной точностью, не могут точно определить местоположение сигнала гравитационной волны с большей точностью, чем до созвездия или трех. Поскольку гравитационные волны и электромагнитные волны движутся на скорости света, крайне маловероятно, что будет почти 24-часовая задержка между двумя этими сигналами. Кроме того, переходное событие возникает на расстоянии, которое не позволяет связать его с гравитационной волной.

Наблюдательная область обсерватории AGILE в момент наблюдений LIGO с возможным расположением источника гравитационной волны, показанного в пурпурных контурах

Наблюдения AGILE могут потенциально намекнуть на то, что происходит что-то интересное. В тот момент, когда зафиксировали событие гравитационной волны, AGILE был направлен на область пространства, которая содержит 36% изучаемой области LIGO. По словам ученых, «избыток обнаруженных рентгеновских фотонов» появился где-то над обычным средним фоном. Но глядя на данные, ученые в первую очередь задаются вопросом: насколько они убедительны?

За несколько секунд до слияния LIGO они вытащили интересное событие, обозначенное как E2 на трех диаграммах выше. После полного анализа, в котором они соотнесли, что видят и какого рода случайные флуктуации могут возникать естественным образом, они заключили, что с вероятностью в 99,9% произошло что-то интересное. Другими словами, они увидели реальный сигнал, а не случайную флуктуацию. Во Вселенной много объектов, которые излучают гамма- и рентгеновские лучи, из которых состоит фон. Но можно ли связать произошедшее с гравитационным слиянием двух черных дыр?

Компьютерное моделирование двух сливающихся черных дыр с производством гравитационных волн. Вопрос в том, сопровождает ли этот сигнал какой-нибудь электромагнитный всплеск?

Если да, то почему другие спутники этого не увидели? На текущий момент мы можем заключить, что если черные дыры имели электромагнитную часть, она:

• крайне слабая
• рождается только при низких энергиях
• не имеет яркого оптического, радио- или гамма-лучевого компонента
• происходит не одновременно с выбросом гравитационных волн.

Бинарные черные дыры массой в 30 солнечных, впервые зафиксированные LIGO, довольно трудно сформировать без прямого коллапса. Теперь же, когда их наблюдали уже дважды, стало понятно, что такие пары черных дыр довольно распространены. Есть ли у них электромагнитное излучение?

Кроме того, все, что мы видим, идеально сочетается с тем, что сливающиеся черные дыры не имеют электромагнитной части. Но может ли это быть оттого, что у нас не хватает данных? Если мы построим больше детекторов гравитационных волн, увидим больше слияний черных дыр высокой массы, лучше определим их местоположение, увидим больше переходных событий — мы можем узнать ответ на этот вопрос. Если миссии и обсерватории, которые должны собирать такие данные, будут построены, введены в эксплуатацию и выведены на орбиту, если нужно, то лет через 15 мы получим научное подтверждение.