Впервые астрономы подтвердили, что редкая двойная система имеет эллиптическую орбиту

Астрофизики обнаружили первые признаки того, что перед слиянием нейтронная звезда и чёрная дыра вращались по вытянутой орбите. Используя новую модель, учитывающую сложную динамику системы, исследователи проанализировали сигнал гравитационных волн удаленного от нас на 290.3 миллиона световых лет события GW200105 и установили, что орбита была эллиптической. Её форма поможет понять механизм формирования таких редких двойных звёздных систем.

Гравитационные волны — рябь пространства-времени от слияний компактных объектов — стали важным источником информации о самых экстремальных событиях во Вселенной. С 2015 года астрономы выявили несколько систем, состоящих из чёрной дыры и нейтронной звезды, но их происхождение до сих пор остается загадкой.

Считается, что такие системы могут формироваться двумя способами. Либо как обычные двойные звёздные системы, которые эволюционируют вместе и превращаются в компактные объекты, либо в плотных звёздных средах, таких как шаровые скопления, где гравитационные взаимодействия случайно "собирают" подобные пары.

Форма орбиты перед слиянием является ключевым признаком, позволяющим различить эти сценарии. Если система сформировалась из связанной пары светил, орбита обычно круговая: под действием гравитационных волн она выравнивается за миллионы лет. В динамических средах форма орбиты может оставаться вытянутой (эксцентричной) даже перед слиянием, а прецессия орбиты, вызванная вращением компактных объектов, также может указывать на происхождение системы.

Исследовательская группа под руководством Гонсало Морраса из Бирмингемского университета проанализировала сигнал гравитационных волн от события GW200105, одного из первых достоверных слияний черной дыры и нейтронной звезды, зарегистрированного обсерваториями LIGO и Virgo. Они применили новую модель гравитационных волн, учитывающую орбитальную прецессию и эксцентриситет.

Для оценки параметров системы ученые использовали алгоритм Байеса — статистический метод определения вероятности событий — и сравнили зарегистрированный сигнал с теоретическими данными. Оказалось, что перед слиянием орбита была вытянутой: медианное значение эксцентриситета составляло около 0,145 при орбитальном периоде 0,1 секунды. Почти круговые орбиты (с эксцентриситетом меньше 0,028) исключили с вероятностью 99,5%.

Результаты, опубликованные на сервере препринтов Корнеллского университета, впервые убедительно показали наличие орбитального эксцентриситета в паре нейтронная звезда — черная дыра, наблюдаемой с помощью гравитационных волн. Признаки орбитальной прецессии оказались менее определенными: анализ не выявил ее наличия, хотя данные согласуются с предыдущими выводами о событии GW200105. Новая модель также указала на неравное соотношение масс компонентов системы.

Это открытие, вероятно, означает, что часть таких двойных систем формируется не из изолированных пар, а в активных средах с сильными гравитационными взаимодействиями. По мере накопления данных ученые смогут точнее определить распространенность этого механизма и его роль в эволюции компактных объектов во Вселенной.