Вчені вперше визначили не лише швидкість, а й напрямок «віддачі» чорної діри після її зіткнення з іншою — і це відкриває новий рівень у вивченні гравітаційних хвиль та поведінки найекстремальніших об’єктів Всесвіту.
Дослідження, проведене командою з Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) при Університеті Сантьяго-де-Компостела та опубліковане в журналі Nature Astronomy, дозволило вперше одночасно виміряти швидкість і напрямок так званого «відскоку» чорної діри після злиття. Це явище виникає через те, що гравітаційні хвилі, які утворюються під час злиття, несуть із собою енергію та імпульс, і якщо цей «випромінюваний потік» розподіляється нерівномірно, фінальна чорна діра отримує поштовх у просторі.
Гравітаційні хвилі, передбачені ще Ейнштейном у 1916 році, — це надзвичайно слабкі коливання простору-часу, які виникають при зіткненні масивних об’єктів, таких як чорні діри. Коли дві чорні діри зливаються, випромінювання не є ідеально симетричним, тому утворена чорна діра може буквально «відлетіти» у певному напрямку. Сила цього «космічного удару» залежить від мас і обертання об’єктів, а напрямок — від їхньої орієнтації в просторі.
Досі науковці могли точно визначати лише один із ключових параметрів системи — орбітальний нахил. Однак інший важливий кут, що описує напрямок у площині (азимутальний), залишався майже недоступним для вимірювання. Нова робота показала, що так звані вищі моди гравітаційних хвиль містять достатньо інформації, щоб відновити й цю «втрачену» частину просторової картини.
Метод перевірили на реальному космічному події GW190412, зафіксованій у 2019 році детекторами LIGO та Virgo. Це було злиття двох чорних дір різної маси, яке створило чітко виражені складні хвильові патерни. Використовуючи комп’ютерне моделювання на основі рівнянь Ейнштейна, дослідники встановили, що швидкість віддачі перевищує 50 км/с. Це достатньо, щоб чорна діра могла покинути деякі щільні зоряні скупчення, наприклад кульові скупчення. Статистична достовірність результату також висока — близько 95%.
Крім швидкості, команда змогла визначити і напрямок руху чорної діри після злиття відносно ключових орієнтирів — осі орбіти та напрямку на Землю. Виявилося, що «космічний удар» не був спрямований ані вздовж орбітальної площини, ані прямо до нас, а займав проміжне положення.
Щоб пояснити цей ефект простіше, науковці порівняли сигнал гравітаційних хвиль з оркестром: різні «інструменти» стають чіткішими залежно від того, з якої точки їх слухати. Саме ця складна «мелодія» дозволила відтворити тривимірний рух чорної діри, навіть якщо вона знаходиться за мільярди світлових років від Землі.
Такі вимірювання мають велике значення для розуміння подій, у яких злиття чорних дір може супроводжуватися випромінюванням світла — наприклад, у активних ядрах галактик. Те, чи побачимо ми це світло, залежить від того, у якому напрямку відбувся «відскок» відносно Землі. Тому визначення напрямку руху допомагає зрозуміти, чи збігаються гравітаційні сигнали зі спалахами світла, чи це лише випадковий збіг.
Загалом це дослідження показує, що наука про гравітаційні хвилі виходить за межі простого виявлення злиттів чорних дір. Тепер вчені можуть реконструювати саму геометрію цих подій у просторі. Вимірювання швидкості та напрямку «віддачі» відкриває шлях до глибшого розуміння того, як чорні діри ростуть і впливають на еволюцію Всесвіту.