До сих пор совместные наблюдения гравитационно-волновых обсерваторий LIGO, Virgo и KAGRA показывали только 90 кандидатов в слияния, порождающие гравиволны. Новый каталог более чем удвоил число этих объектов и породил серьезные астрофизические вопросы.
Открытие гравитационных волн в прошлом десятилетии стало важнейшим событием в физике и привело к вручению Нобелевской премии. Дело было не только в подтверждении теории Эйнштейна: из гравиволновых данных следовало, что при слиянии пара черных дыр теряет несколько процентов своей массы. Учитывая, что согласно тому же Эйнштейну гравиволны массы не имеют (с чем согласны не все современные физики), это означало: при каждом таком событии масса Вселенной несколько сокращается. Отталкиваясь от этой точки зрения, после открытий LIGO было предложено новое объяснение феномена темной материи и энергии, а равно и новая космологическая модель.
Однако само по себе первое открытие еще не составляет статистики, не позволяет судить о том, насколько это явление массово и типично для космоса. Поэтому накопление новых результатов таких наблюдений имеет важнейшее научное значение. Коллаборации ученых из гравиволновых обсерваторий LIGO, Virgo и KAGRA проанализировали новый массив с данными наблюдений за май 2023-январь 2024 года и опубликовали свои выводы на сервере препринтов Корнеллского университета.
До сих пор было известно 90 кандидатов в зарегистрированные источники гравиволн, а в наблюдениях за примерно полгода их нашлось еще 128. То есть теперь очевидно, что эти события происходят очень часто: даже несмотря на несовершенство наших измерительных систем, их, как минимум, сотни в год. При этом среди сигналов численно преобладали слияния двух черных дыр между собой. Напротив, слияния нейтронных звезд с черными дырами или между собой были крайне редки.
Все это ставит перед астрофизиками ряд вопросов. Ключевой из них: почему так велико число слияний черных дыр между собой? Дело в том, что в черные дыры превращаются лишь объекты с массой более примерно 2,17 солнечных (предел Оппенгеймера-Волкова). А нейтронные звезды — из объектов массой от примерно 1,38 солнечных (предел Чандрасекара) до 2,17. При этом объект-предшественник черной дыры или нейтронной звезды существенно менее массивен, чем звезда, из остатков которой он формируется при взрыве сверхновой. Ведь такое событие уносит значительную часть массы этой сверхновой и только ее обжатое взрывом ядро становится нейтронной звездой или черной дырой.
Астрономии известна так называемая начальная функция масс звезд, распределение частоты встречаемости светил разной массы во Вселенной. По ней выходит, что черных дыр в ней должно быть в разы меньше, чем нейтронных звезд. Однако на практике наблюдения за гравиволнами показывают, что нейтронные звезды сливаются как минимум в десятки раз реже, чем черные дыры. Это нелогично, потому что более частые объекты чаще должны сближаться до расстояний, ведущих к их слиянию. То есть по гравиволновым наблюдениям либо нейтронных звезд в сто раз меньше, чем должно быть, либо черных дыр в сто раз больше, чем должно быть.
Другой вопрос, поднимаемый новыми наблюдениями: почему вообще в данных такое огромное количество слияний черных дыр, при том, что наблюдения в оптическом диапазоне показывают ничтожно малое число событий такого рода. Слияния, которые регистрируют LIGO, Virgo и KAGRA, должны происходить там же, где находятся обычные звезды — в дисках галактик.
Но в таком случае они неизбежно будут притягивать к себе не только другие черные дыры, но и обычную материю — звезды, газ и прочее. А в таком случае вокруг черной дыры образуются аккреционные диски из газа и пыли. По опыту массивных черных дыр они раскалены до высоких температур и должны наблюдаться телескопами, улавливающими электромагнитные волны. На практике, тем не менее, такое не наблюдается: там, откуда приходят гравиволны от слияния, не заметно никакого свечения аккреционных дисков.
Ранее, еще после первых наблюдений LIGO, была сформулирована теория циклической космологии, позволяющая объяснить такие явления. По ней число черных дыр должно быть радикально выше числа нейтронных звезд, поскольку черные дыры могут пережить цикл расширения и сжатия Вселенной, накапливаясь от одного такого цикла к другому.
Среди кандидатов в гравитационно-волновые слияния чрезвычайно мало слияний нейтронных звезд между собой (BNS на картинке), а также нейтронных звезд с черными дырами (NS-BH mergers). Почти все идентифицированные по массе источники сигнала относятся к слияниям черных дыр (BBH mergers). Во Вселенной стандартной космологической модели это выглядит очень странно, поскольку нейтронных звезд должно быть минимум вдвое больше, чем черных дыр. Соответственно, чаще должны быть и слияния НЗ, но на практике наблюдается обратное