Злиття двох компактних тіл залишило в гравітаційних хвилях достатньо інформації, щоб перевірити, чи є масивніший об’єкт чорною дірою. У формі сигналу зберігається інформація про те, як обертання деформує розподіл маси всередині об’єкта. Для цієї пари таке вимірювання виявилося найточнішим за всю історію спостережень. Частину гіпотетичних об’єктів, схожих на чорні діри, вдалося виключити.
Сигнал із вдалим набором параметрів
Подію під позначенням GW241011 зафіксували в жовтні 2024 року детектори LIGO Hanford у США та Virgo в Італії. За розрахунками, маси двох тіл, що злилися, становили близько 19,6 та 5,9 маси Сонця.
Більший об’єкт обертався швидко, його спін сягав приблизно 0,78 за шкалою, де одиниця відповідає граничному обертанню. Разом із великою різницею мас і відношенням сигналу до шуму близько 36 у мережі детекторів це дало саме ту комбінацію, за якої потрібну величину можна виміряти точно, пише рhys.org.
Як обертання видає внутрішню будову
У загальній теорії відносності чорна діра описується лише двома числами, масою і спіном. Будь-яке інше компактне тіло має внутрішню структуру, а вона змінює те, наскільки обертання витягує його з ідеальної кулі.
Ця деформація має назву «спін-індукований квадрупольний момент» і залишає характерний слід у гравітаційних хвилях під час зближення пари. Для бозонної зорі, гіпотетичного тіла з частинок-бозонів, значення буде іншим, ніж для чорної діри Керра, тобто обертової чорної діри, яку описують лише маса і спін.
Метод запропонували ще у 2017 році, але потрібної якості сигналу довелося чекати майже вісім років. Замість того щоб від початку припустити, що більший об’єкт є чорною дірою, команда дочекалася даних, які показали, наскільки виміряна величина може відхилятися від передбачення для Керра. Результати опубліковані в рецензованому журналі Physical Review Letters.
Що саме вдалося відкинути
Цілі класи гіпотетичних компактних тіл не проходять за виміряними параметрами. Зокрема, обертові бозонні зорі з квартичною самодією дали б квадрупольний момент, несумісний із записом детекторів.
Водночас остаточної відповіді робота не дає. За її висновками, достатньо щільні екзотичні об’єкти з компактністю приблизно від 0,24 залишаються можливим поясненням.
Сама ця межа відсікає більшість припущень. Компактність горизонту чорної діри за визначенням дорівнює 0,5, а в нейтронних зір, найщільніших із підтверджених об’єктів, ця величина не перевищує 0,2. Отже, під опис підпадають лише тіла, щільніші за все, що астрономи спостерігали досі.
Обмеження лише для однієї пари
Автори роботи наголошують, що не доводять природу об’єкта, а звужують перелік альтернатив. Адітья Віджаякумар окремо зазначає, що висновок стосується конкретної подвійної системи та не дає підстав говорити про поширеність таких тіл у Всесвіті загалом.
Наступний крок вимагає статистики за багатьма подіями. П’ятий сеанс спостережень зі значно вищою чутливістю очікують близько 2029 року, а проєкти детекторів третього покоління та космічної обсерваторії LISA розширять вибірку джерел. Разом із вимірюванням припливної деформації тіл перевірку доведеться вести тим, хто будує моделі речовини за межами стандартної фізики.
