Астрономы впервые измерили скорость и направление движения новорожденной черной дыры, используя гравитационные волны, возникшие при ее «отскоке» после слияния двух родительских черных дыр. Это первое полное измерение отдачи черной дыры произошло почти через десятилетие после первой детекции гравитационных волн — ряби в пространстве 2024, предсказанной Альбертом Эйнштейном в 1915 году. Их зафиксировала обсерватория LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) 14 сентября 2015 года.

За последние 10 лет наблюдения LIGO и ее партнеров — детекторов Virgo и KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector) — раскрыли детали слияний черных дыр с невиданной ранее точностью. Однако один из самых драматичных аспектов таких событий оставался «неуслышанным». Речь об отдаче, которая придает новорожденной черной дыре импульс, заставляя ее стремительно удаляться от места слияния.

Эта отдача заставляет черную дыру излучать гравитационные волны преимущественно в одном направлении. Такой дисбаланс разгоняет ее до миллионов километров в час — скорости, достаточной, чтобы покинуть родную галактику.

Гравитационные волны от отдачи отличаются по «звучанию» от сигналов слияний или спирального сближения черных дыр в двойных системах. Кроме того, их характеристики зависят от позиции наблюдателя относительно направления отдачи. Это позволяет ученым по форме сигнала определить траекторию и скорость черной дыры.

«Слияние черных дыр можно сравнить с оркестром, где каждый инструмент — отдельный сигнал, — объяснил Хуан Кальдерон-Бустилло, ведущий автор исследования из Института физики высоких энергий (IGFAE, Испания). — Но наш оркестр особенный: слушатели в разных точках пространства услышат разное сочетание инструментов, что поможет определить их положение относительно источника».

Черные дыры в движении: новый рубеж астрофизики

Команда изучила слияние двух черных дыр разной массы, зафиксированное LIGO и Virgo в 2019 году как сигнал GW190412. Уникальность работы — в применении новой методики, позволившей впервые измерить отдачу.

«Мы разработали этот метод в 2018-м, — отметил Кальдерон-Бустилло. — Тогда мы поняли, что с ним можно измерять отдачу уже на существующих детекторах, в то время как другие методы требовали запуска космической обсерватории LISA. К счастью, GW190412 идеально подошел для анализа».

Новорожденная черная дыра оказалась разогнана до 180 000 км/ч (50 км/с) — в 150 раз быстрее скорости звука на Земле. Хотя это далеко не рекорд, такой скорости достаточно, чтобы покинуть плотное звездное скопление, где произошло слияние.

«Мы не просто фиксируем событие — мы воссоздаем 3D-движение объекта в миллиардах световых лет от нас, используя лишь рябь пространства-времени, — подчеркнул Коустав Чандра из Университета Пенсильвании. — Это демонстрация невероятных возможностей гравитационной астрономии».

Следующий шаг: мультимессенджерная астрономия

Ученые планируют совместить данные об отдаче с наблюдениями в электромагнитном спектре. Это позволит точнее идентифицировать источники вспышек, связанных с черными дырами.

«В плотных средах, например, в активных ядрах галактик, отскок черной дыры может вызвать электромагнитные вспышки, — пояснил Самсон Леунг из Китайского университета Гонконга. — Зная направление отдачи, мы сможем отличить истинную связь гравитационных волн и вспышки от случайного совпадения».

Исследование, опубликованное 9 сентября в журнале Nature Astronomy, открывает новые пути для изучения эволюции черных дыр и их роли в формировании галактик. С запуском более чувствительных детекторов, таких как LISA и Einstein Telescope, ученые надеются раскрыть еще больше тайн космических «катапульт».

Это открытие не только подтверждает предсказания общей теории относительности, но и дает ключи к пониманию образования сверхмассивных черных дыр. Возможно, их колоссальные массы объясняются многократными слияниями, где каждая отдача «перенаправляла» дыру в области с высокой плотностью материи, провоцируя новые столкновения. Таким образом, отдача — не просто побочный эффект, а важный механизм, формирующий архитектуру Вселенной.