Gravitational missile gap

— Гравитационные сигналы. Это ведь они вас приманили?

— Не совсем. Мы летим на Глорию, потому что там биосфера вроде нашей. Нам подходят тамошние уровни кислорода, водяного пара, интенсивность водородного цикла в океанах. И никаких признаков технологии. Никаких примесей странных элементов в атмосфере. Никаких ЭМ-сигналов. Вообще никакого траффика. Мир вроде нашего, каким была наша планета тысячи лет — оборотов, по-вашему? — назад. — Клифф развел руками, надеясь, что Птицы правильно истолкуют этот жест как признание очевидного.

Асенат недовольно зашуршала перьями, фиолетовыми и алыми:

— Ваш корабль принял сообщения глорианцев, и вы продолжаете делать вид, что не поняли?

Ларри Нивен, Грегори Бенфорд, Корабль-звезда

Вопреки публичным сомнениям известной борцуньи с лженаукой и enfant terrible современной теорфизики Сабины Хоссенфельдер, гравиволновая астрономия продолжает бурно развиваться. Конечно, до коммуникации с помощью гравитационных волн на межзвездных расстояниях, как между Чашей Небес и системой Глории, еще далековато, да и разрешение небесных портоланов оставляет желать много лучшего, но некоторые давние космологические загадки уже трещат под натиском удовлетворяемого за бюджетный счет любопытства. Так в допотопные времена на Великом восточноафриканском рифте плод баобаба уступил напору заостренного каменного осколка в руках австралопитека.

Распределение черных дыр по массе демонстрирует огромный “провал”: их популяции (в той мере, в какой вообще можно говорить о “наблюдении” этих сливных ям пространства-времени) сосредоточены преимущественно на двух удаленных друг от друга участках, менее 100 и более 100 тыс. солнечных масс. Так, самая маленькая из ныне известных черных дыр расположена в двойной системе 2MASS J05215658+4359220, что в созвездии Возничего, и весит лишь около 3.3 солнечных масс, а самая крупная из сверхмассивных черных дыр, гнездящаяся в сердце высокоэнергетического квазара TON 618, потянет, по грубой и, возможно, заниженной оценке, на 66 млрд. солнечных масс, причем вихри разогретого приливными возмущениями и трением межзвездного водорода проносятся вокруг черной дыры на скорости в несколько процентов световой. А вот черных дыр промежуточной массы в известном космосе явно недостает.

В среду сотрудники проектов LIGO и Virgo заявили о наблюдении первого в истории слияния черных дыр с образованием дыры, чья масса попадает как раз в этот подозрительный “пробел”: после спирализации навстречу друг дружке дыры с массами 85 и 66 солнечных образовали единый объект с массой 142 солнечных, а остаток за доли секунды был унесен гравитационным излучением. Само это событие было зарегистрировано еще в прошлом году, 21 мая 2019-го, но ввиду крайней удаленности объекта (он расположен на красном смещении z=0.82, сиречь более чем в 7 млрд. световых лет от Земли) отнесение негромкого (соотношение сигнал/шум около 14.7) сигнала именно к такому, эпохальному для астрономии, слиянию заняло немалое время. Хотя, казалось бы, во время карантиникул соблазнов, отвлекающих исследовательскую группу от работы, должно поубавиться. (Я не допускаю мысли, что быт ее участников столь же аскетичен, как у большинства подневольных аспирантов и постдоков, населяющих профильные форумы Рунета.)

Отдельный интерес представляет происхождение черных дыр, участвовавших в слиянии. Его-то и попытались оперативно уточнить исследователи из Женевы, Рима и Хайфы, предположив, что дыры могли возникнуть не вследствие коллапса массивных звезд из-за неустойчивости относительно образования электрон-позитронных пар (pulsational pair-instability supernova), но сформироваться на самых ранних этапах эволюции Вселенной. Авторы рассматривают две гипотезы: событие GW190521 могло явиться единственным во всей выборке LIGO эпизодом слияния первородных черных дыр или же, напротив, типичным явлением — в таком случае все ранее наблюдавшиеся слияния следует отнести на счет первозданных черных дыр. Первое предположение в отсутствие аккреции на первозданные черные дыры противоречит ограничениям, налагаемым данными о спектральной дисторсии микроволнового реликтового излучения с телескопа “Планк”. Если подключить аккрецию, ограничения заметно смягчаются, и две первозданные черные дыры эволюционируют из состояния с массами 22 и 13 солнечных.

Но дальнейшие расчеты (под сенью баобаба) проводились в предположении, что событие GW190521 типично, и вся коллекция гравитационных сигналов LIGO/Virgo обязана своим появлением первозданным черным дырам.

Если аккрецией на первозданные черные дыры за время их существования можно пренебречь (не говоря уж о повторных слияниях первозданных черных дыр), ожидается не более 0.07 слияний/год в объеме известной Вселенной, совпадающих по характеристикам с событием GW190521. Максимизация критерия правдоподобия достигается при массе 19 солнечных и дисперсии 0.97: не слишком обнадеживающий результат, требующий уширения функции массового распределения (ФМР).

Учет аккреции (которая должна быть особенно эффективна в эпоху до реионизации, когда, кстати, уже могла существовать жизнь) снова позволяет заметно ослабить ограничения на долю первозданных черных дыр в таких слияниях, “убрать жир с талии” ФМР и привести ее в некоторое согласие с экспериментом. Темпы слияния черных дыр с массами, превышающими 65 солнечных, теперь оцениваются в 1.1 событие/год на выборку, а слияния дыр с массами, хотя бы одна из которых превышает 66 солнечных, — в 0.8 событий/год на выборку. Максимизация критерия правдоподобия достигается при массе 6.5 солнечных и дисперсии 0.43.

Общим индикатором участия первозданных черных дыр в слиянии, по мнению авторов, послужит близость отношения их масс к 1 и сохранение спина после слияния (без переворота волчка), причем спин вторичного компонента пары всегда выше, чем у первичного. Хотя зашумленность сигнала и значительные неясности, привносимые применением разношерстных моделей спектрального волнового преобразования, не позволяют пока доподлинно проверить этот двухуровневый критерий для GW190521, похоже, что он соблюдается.

Ах да, разумеется, расстановка пробелов чернодырных масс уже привлекла любителей подвигать рамки Стандартной Модели: в одной из экзотических трактовок слияния предполагается, что черные дыры-предшественницы GW190521 образовались из очень тяжелых кратковечных звезд юной Вселенной (поколения III) в неэкранированной галактике, где пятое взаимодействие не было подавлено, и относительное отклонение гравитационной постоянной от измеряемого в Млечном Пути значения могло достигать 25% и более. Впрочем, если пятое взаимодействие действительно существует, то на динамике слияний не отражается (легко понять, почему: для вводимых модифицированными космологиями скалярных степеней свободы справедливы свои “теоремы об отсутствии волос”), а только сдвигает нижнюю и верхнюю границу прорехи в распределении масс черных дыр.

LoadedDice