Двойная система черных дыр была обнаружена с помощью гравитационных волн в начале 2020 года с помощью детекторов Advanced LIGO и Virgo. Одна из черных дыр, в 40 раз больше нашего Солнца, вероятно, является самой быстро вращающейся черной дырой, которую можно обнаружить с помощью гравитационных волн. И, в отличие от всех предыдущих наблюдений, быстро вращающаяся черная дыра настолько исказила пространство и время, что вся орбита двойной системы качалась взад и вперед.

Эта форма прецессии характерна для общей теории относительности Эйнштейна. Эти результаты подтверждают его существование в самом экстремальном физическом событии, которое мы можем наблюдать, — столкновении двух черных дыр.

«Мы всегда думали, что двойные черные дыры могут делать это», — сказал профессор Марк Ханнэм из Института исследования гравитации Кардиффского университета. «Мы надеялись найти пример с момента первого обнаружения гравитационных волн. Нам пришлось ждать пять лет и более 80 отдельных обнаружений, но, наконец, у нас есть одно!»

Более приземленный пример прецессии — раскачивание волчка, который может раскачиваться — или прецессировать — раз в несколько секунд. Напротив, прецессия в общей теории относительности обычно настолько слаба, что незаметна. В самом быстром примере, ранее измеренном на орбитальных нейтронных звездах, называемых двойными пульсарами, прецессия орбиты заняла более 75 лет. Двойная черная дыра в этом исследовании, в просторечии известная как GW200129 (названная в честь даты ее наблюдения, 29 января 2020 г.), прецессирует несколько раз в секунду — эффект в 10 миллиардов раз сильнее, чем измеренный ранее.

Доктор Джонатан Томпсон, также из Университета Кардиффа, объяснил: «Этот эффект очень сложно идентифицировать. Гравитационные волны чрезвычайно слабы, и для их обнаружения требуется самый чувствительный измерительный прибор в истории. Прецессия — это еще более слабый эффект, спрятанный внутри уже слабый сигнал, поэтому нам пришлось провести тщательный анализ, чтобы обнаружить его».

Гравитационные волны были предсказаны Эйнштейном в 1916 году. Впервые они были обнаружены непосредственно в результате слияния двух черных дыр с помощью инструментов Advanced LIGO в 2015 году, что стало прорывным открытием, которое привело к Нобелевской премии 2017 года. Гравитационно-волновая астрономия в настоящее время является одной из наиболее динамично развивающихся областей науки, где в США, Европе и Японии работает сеть детекторов Advanced LIGO, Virgo и KAGRA. На сегодняшний день было обнаружено более 80 случаев слияния черных дыр или нейтронных звезд.

«До сих пор большинство черных дыр, которые мы обнаружили с помощью гравитационных волн, вращались довольно медленно», — сказал доктор Чарли Хой, исследователь из Университета Кардиффа во время этого исследования, а теперь из Университета Портсмута. «Более крупная черная дыра в этой двойной системе, которая была примерно в 40 раз массивнее Солнца, вращалась почти с максимально возможной физически скоростью. Наши современные модели формирования двойных систем предполагают, что это было чрезвычайно редко, может быть, одно из тысячи событий. ... Или это может быть признаком того, что наши модели должны измениться».

Международная сеть детекторов гравитационных волн в настоящее время модернизируется и начнет свой следующий поиск во Вселенной в 2023 году. Они, вероятно, обнаружат еще сотни сталкивающихся черных дыр и расскажут ученым, был ли GW200129 редким исключением или признаком того, что наша вселенная еще более странная, чем они думали.