Невозможные чёрные дыры могли оказаться гравитационным миражом

Сигнал, зафиксированный 23 ноября 2023 года, поставил астрофизиков в тупик: две сливающиеся чёрные дыры оказались слишком тяжёлыми, чтобы существовать по правилам звёздной эволюции. Теперь появилась гипотеза, которая убирает противоречие, но порождает новую загадку. Всё дело, возможно, в том, что сам сигнал исказила невидимая космическая «линза».

Фото: NOIRLab/LIGO/NSF/AURA/T. Matsopoulos, CC BY 4.0, Wikimedia Commons. На снимке: детектор LIGO в Хэнфорде, штат Вашингтон, одна из двух обсерваторий, поймавших GW231123.

Сигнал, который не вписался в учебники

В основе истории лежит событие GW231123. Его одновременно поймали оба детектора американской обсерватории LIGO: один находится возле города Ричленд в штате Вашингтон, другой в городе Ливингстон в штате Луизиана. Расстояние между ними около 3000 километров, а плечи каждого интерферометра длиной по 4 километра фиксируют смещения меньше тысячной доли диаметра протона. Сам всплеск длился всего около 0,1 секунды, но по его форме исследователи восстановили картину столкновения двух чёрных дыр примерно в 2 миллиардах световых лет от Земли.

Цифры оказались рекордными. По оценкам коллабораций LIGO, Virgo и KAGRA, массы сливающихся объектов составляли около 137 и 103 масс Солнца, а итоговая чёрная дыра получилась примерно в 225 масс Солнца. В популярных пересказах эти значения округляют до 100 и 130, а итог до 230. Для сравнения: самое первое прямое обнаружение гравитационных волн, события GW150914 в сентябре 2015 года, было вызвано слиянием двух чёрных дыр примерно по 30 масс Солнца (около 36 и 29). По массе GW231123 считается самым крупным слиянием из зарегистрированных гравитационно-волновыми детекторами.

Но дело не только в весе. Обе чёрные дыры вращались необычайно быстро: их безразмерные спины оценили примерно в 0,9 и 0,8, то есть близко к физическому пределу. Такая комбинация большой массы и быстрого вращения плохо согласуется с обычными сценариями, и именно поэтому событие, о котором коллаборации сообщили в июле 2025 года, остаётся предметом споров.

Почему такие чёрные дыры считаются запретными

Обычные чёрные дыры звёздной массы рождаются, когда массивная звезда исчерпывает топливо и её ядро коллапсирует. Однако у этого правила есть верхний предел. В очень горячих и массивных ядрах гамма-кванты начинают превращаться в пары электрон и позитрон, давление излучения падает, звезда сжимается и разогревается ещё сильнее. Так запускается неуправляемая реакция, которую называют парно-нестабильной сверхновой. Она либо разрывает звезду целиком, не оставляя после себя вообще ничего, либо заставляет её серией вспышек сбросить часть вещества.

В результате чёрные дыры в интервале примерно от 60 до 130 масс Солнца, по расчётам теоретиков, не должны рождаться при гибели одиночной звезды. Точные границы остаются неопределёнными, но сам провал в распределении называют верхней щелью масс. Обе чёрные дыры из GW231123 попадают в этот интервал или лежат на его краю. Объекты тяжелее принято относить к чёрным дырам промежуточной массы, о происхождении которых науке известно пока немного.

У астрофизиков были готовые объяснения. Первое: чёрные дыры могли возникнуть не из звёзд, а в результате более ранних слияний меньших объектов. Такой иерархический сценарий хорошо согласуется с быстрым вращением, но требует очень плотного звёздного скопления, где чёрные дыры часто встречаются. Второе: в 2025 году другая группа предложила новый путь образования подобных объектов через коллапс звёзд, которые обычно взрываются как сверхновые. Эта идея, однако, противоречит значительному объёму наблюдательных данных.

Идея Эйнштейна, которой понадобилась новая роль

25 августа 2026 года в журнале The Astrophysical Journal Letters вышла работа, предлагающая более простое решение. Её авторы, постдок Срашти Гоял и астрофизик Мигель Зумалакарреги из Института гравитационной физики Общества Макса Планка в Германии, предположили, что гравитационные волны GW231123 по пути к Земле прошли через область искривлённого пространства-времени и были усилены. Это явление называют гравитационным линзированием.

Принцип следует из общей теории относительности, опубликованной в 1915 году. Массивный объект, например галактика или скопление, искривляет пространство вокруг себя, и свет далёкого источника, проходящий рядом, отклоняется и фокусируется почти как в стеклянной линзе. Первое экспериментальное подтверждение того, что гравитация отклоняет свет, получили в 1919 году, когда во время солнечного затмения Артур Эддингтон измерил смещение положения звёзд вблизи солнечного диска. Расчёт линзового эффекта для звезды Эйнштейн опубликовал в 1936 году, а первую настоящую гравитационную линзу, двойной квазар, нашли в 1979 году.

Сегодня линзы стали рабочим инструментом астрономов. Они создают кольца Эйнштейна, кресты и множественные копии одной и той же галактики, а по степени искажения учёные взвешивают скрытую массу. Благодаря этому линзирование стало одним из лучших способов изучать тёмную материю, которую нельзя увидеть напрямую. Проблема в том, что до сих пор линзированными наблюдали только свет, а гравитационные волны ни разу.

Подобно свету, гравитационные волны тоже могут отклоняться, усиливаться и разделяться на несколько сигналов массивными объектами. Для них дифракция и интерференция дают дополнительный способ выявлять и изучать линзированные сигналы.

Что показали расчёты

Исследователи смоделировали, как менялся бы сигнал при прохождении через линзу. Оказалось, что если на пути волны стоял компактный объект массой от 190 до 850 масс Солнца или протяжённая структура вроде шарового скопления, наблюдаемые параметры объясняются без всяких чудес. Усиление делает сигнал громче, а значит, анализ завышает массы сливающихся чёрных дыр. Одновременно перестаёт требоваться и экстремальное вращение: по словам авторов, линзовая интерпретация не нуждается в необычно высоких спинах.

Если гипотеза верна, цифры меняются кардинально. Итоговая чёрная дыра весила бы не 230, а около 140 масс Солнца, и родительские чёрные дыры уже не попадали бы в запретную щель. Дополнительное следствие: источник должен находиться ещё дальше от нас, чем оценили изначально, потому что усиленный сигнал выглядит ближе, чем есть на самом деле. Вся картина становится куда скромнее, и именно эта простота делает её привлекательной.

Но авторы честно подчёркивают, что работа чисто теоретическая. Прямых доказательств линзирования нет, нет даже сопутствующих признаков вроде кольца Эйнштейна. Поэтому гипотеза пока остаётся одной из нескольких равноправных, и для её проверки потребуются новые данные и дополнительные расчёты.

Новая загадка: что стояло на пути волны

Избавившись от одной проблемы, исследователи получили другую. Обычно линзами служат гигантские объекты, например галактики, в триллионы раз тяжелее Солнца. Расчёты же показывают, что в этом случае линза должна быть гораздо меньше: порядка сотен масс Солнца. Такой объект между Землёй и источником сигнала пока никто не обнаружил.

Зумалакарреги формулирует это прямо: природа линзы остаётся главной тайной анализа, поскольку одиночные компактные линзы массой от 100 до 1000 масс Солнца должны встречаться исключительно редко. Будущим работам предстоит выяснить, могут ли такие линзы вообще формироваться или же эффект создал ансамбль более лёгких объектов, включая обычные звёзды.

• Компактный объект. Чёрная дыра промежуточной массы от 190 до 850 масс Солнца, которая сама по себе остаётся малоизученным классом.
• Шаровое скопление. Плотная группа старых звёзд, действующая на волну как единая протяжённая линза.
• Ансамбль лёгких объектов. Много небольших тел, совместный эффект которых имитирует одну тяжёлую линзу.

Что это даст астрономии

Если исследователям удастся доказать, что гравитационную волну действительно можно линзировать, это станет настоящим поворотом. Усиление сигнала позволит заглядывать на гораздо большие расстояния и изучать слияния чёрных дыр в очень ранней Вселенной, которые иначе были бы слишком слабыми для регистрации. А анализ дифракционных картин таких сигналов, по мнению авторов, может добавить подсказок о природе тёмной материи.

Пока же GW231123 остаётся редким случаем, когда одно событие заставило пересматривать сразу несколько представлений: о пределах массы звёздных чёрных дыр, о роли иерархических слияний и о том, насколько внимательно нужно читать собственные данные. Ответ придёт, скорее всего, не от одного расчёта, а от накопления новых детекций с тех же обсерваторий.