Рекордна маса внаслідок злиття чорних дір

Фізики з міжнародної співпраці LIGO/Virgo/KAGRA оголосили про виявлення гравітаційних хвиль від події GW231123, яка стала найважчим з усіх зафіксованих злиттям бінарних чорних дір. Цей знаковий випадок призвів до утворення залишкової чорної діри масою приблизно 225 сонячних мас, що розширює відомий діапазон формування чорних дір і ставить під сумнів сучасні уявлення про еволюцію зірок.

Огляд виявлення

Сигнал був зафіксований 23 листопада 2023 року глобальною мережею, що включає LIGO Hanford, LIGO Livingston, Advanced Virgo та KAGRA, з піковим співвідношенням сигнал/шум (SNR) близько 20. Алгоритми матченого фільтрування, що використовують сімейства форм хвиль, такі як IMRPhenomX та SEOBNRv5, виявилися ключовими для вилучення параметрів джерела з шумних даних. Два лазерні інтерферометри довжиною 4 км працюють на довжині хвилі 1064 нм з вхідною потужністю лазера понад 200 Вт, досягаючи чутливості до деформацій на рівні 10⁻²³ /√Гц в діапазоні 20 Гц–2 кГц.

Технічні характеристики обсерваторій

• Довжина плеча: 4 км (LIGO), 3 км (Virgo), 3 км (KAGRA)
• Лазерна система: Nd:YAG на 1064 нм, вхідна потужність 200–250 Вт
• Тестові маси: 40 кг сплавленого кремнію (LIGO), криогенний сапфір (KAGRA)
• Вакуум: ≤10⁻⁹ торр, сейсмічна ізоляція з багатоступеневим активним підвісом
• Квантові вдосконалення: ін’єкція стиснутого світла зменшує шум від фотонів приблизно на 3 дБ

Параметри події та аналіз

1. Первинна маса: ~140 сонячних мас (Msun)
2. Вторинна маса: ~100 Msun
3. Маса залишку: ~225 Msun
4. Безрозмірні спіни: χ₁ ~0.9, χ₂ ~0.85
5. Випромінена енергія: ~5 Msun c² (≈9×10⁴⁷ джоулів)
6. Пікова частота гравітаційних хвиль: ~60 Гц

Астрофізичні наслідки

Це злиття потрапляє в масовий проміжок наднових з парною нестабільністю, що вказує на ієрархічне походження в щільних середовищах. Симуляції динаміки глобулярних скупчень і акреції дисків активних галактичних ядер показують, що послідовні злиття можуть призводити до утворення чорних дір середньої маси. Як зазначає доктор Майя Фішбах (Університет Північно-західного штату), “GW231123 надає переконливі докази того, що зростання чорних дір є ітеративним процесом у високощільних астрофізичних умовах.”

Інструментальні виклики та вдосконалення

Високі спіни та великі маси ускладнюють моделювання форм хвиль через сильні прецесійні ефекти. Майбутні вдосконалення, включаючи LIGO A+ (з метою підвищення чутливості вдвічі) та КАГРА Фаза 2, покращать виявлення низькочастотних сигналів до 5 Гц. Будівництво LIGO-Індія та пропоновані обсерваторії третього покоління, такі як Телескоп Ейнштейна, ще більше розширять обсяги спостережень.

Перспективи та теоретичні моделі

Розробляється вдосконалена оцінка параметрів за допомогою машинного навчання, що прискорить обробку даних. O5 та детектори наступного покоління уточнять перевірки загальної теорії відносності через спектроскопію чорних дір та досліджуватимуть потенційні електромагнітні супутники в рамках спільних мультимесенджерних кампаній. Ці зусилля обіцяють картографувати популяцію чорних дір середньої маси протягом космічної історії.

Ед Портер (CNRS, Париж): “Аналіз таких масивних і швидко обертових систем вимагає від наших інформаційних систем та сімейств форм хвиль максимальних зусиль, що стимулює теоретичний та обчислювальний прогрес у астрономії гравітаційних хвиль.”