Коли масивна зоря вибухає як надновая, у неї всередині залишається компактний об'єкт — нейтронна зоря або чорна діра. Побачити цей момент народження безпосередньо неможливо: світло від вибуху йде назовні тижнями і місяцями, а сам колапс ядра ховається за завісою розжареної речовини. Але теорія передбачає, що в момент колапсу мала б виникнути короткочасна ознака гравітаційних хвиль — коливань простору-часу, які, на відміну від світла, проходять крізь речовину практично без перешкод.

Саме таку ознаку намагалась знайти команда дослідників у даних LIGO для однієї з найближчих і найяскравіших надновых останніх років — SN 2023ixf.

Що шукали в даних LIGO

Метод, застосований у роботі, називають мультимесенджерним (multi-messenger) — він поєднує різні "посланці" інформації про одну й ту саму подію: електромагнітне випромінювання (світло) і гравітаційні хвилі. Ідея проста: якщо надновая народжує чорну діру, процес колапсу може супроводжуватися помітно потужнішим гравітаційнохвильовим сигналом, ніж у випадку формування нейтронної зорі.

Дослідники провели пошук, який назвали "модельно-незалежним" — тобто не прив'язаним до якогось одного теоретичного сценарію колапсу, а здатним ловити сигнали різної форми. Шукали два типи випромінювання: короткий "чирп" (chirp) — сплеск із швидко зростаючою частотою, і більш розмите шумоподібне випромінювання нижче 1 кГц.

Чутливість пошуку виражена в одиницях енергії, еквівалентної масі за формулою Айнштайна E=mc². Для чирп-сигналів порог становив приблизно 10^-5 маси Сонця, перетвореної на енергію, для шумоподібного випромінювання — приблизно 10^-2 маси Сонця. Аналіз охопив вікно у 2.5 доби перед першим офіційним відкриттям SN 2023ixf, з використанням двох детекторів мережі LIGO — у Хенфорді та Лівінгстоні. Спільний сигнал у обох детекторах одночасно — необхідна умова, щоб відрізнити справжню гравітаційну хвилю від локального шуму приладу.

Результат: тиша, яка щось означає

Жодного спільного сигналу H1-L1, пов'язаного з SN 2023ixf, за вказаний період не виявлено. На перший погляд це може здатися просто негативним результатом — "нічого не знайшли". Але в контексті мультимесенджерного підходу відсутність сигналу теж несе інформацію.

Дослідники зіставили цей null-результат з оптичними спостереженнями надновой — фотометрією (вимірюванням яскравості з часом) і спектроскопією (аналізом спектра світла). За цими даними масу зорі-прогенітора SN 2023ixf оцінюють на рівні ймовірно нижче приблизно 20 мас Сонця. Це узгоджується з формуванням нейтронної зорі: зорі такої маси, за сучасними моделями колапсу ядра, частіше залишають по собі саме нейтронну зорю, а не чорну діру.

Додатковим аргументом стало порівняння з подією GW170817B — гіпотетичним гравітаційнохвильовим сигналом, пов'язаним із процесами навколо злиття, яке породило знамениту подію GW170817. Масштабуючи очікувану енергію сигналу від чорної діри за аналогією з цим прикладом, автори роботи показали, що поріг чутливості їхнього пошуку мав би дозволити виявити гравітаційні хвилі, якби в SN 2023ixf справді утворилась чорна діра відповідної маси. Оскільки сигналу немає, це підсилює аргумент на користь нейтронної зорі.

Чому це важливо

Головна фізична причина, яка запускає колапс масивної зорі й визначає, чим саме він завершиться — нейтронною зорею чи чорною дірою, — залишається однією з відкритих проблем астрофізики надновых. Пряме спостереження компактного об'єкта в момент його народження допоможе перевірити теоретичні моделі колапсу ядра, які зараз спираються переважно на комп'ютерні симуляції.

SN 2023ixf стала зручним тестовим випадком саме завдяки своїй близькості й тому, що подія відбулась у період, коли гравітаційнохвильові детектори працювали і могли її "прослухати". Втім, важливо розуміти межі методу: відсутність сигналу — це не пряме доведення, а статистичний аргумент, що спирається на порогові значення чутливості й на порівняння з іншими подіями.

Подібні комбіновані пошуки — світло плюс гравітаційні хвилі — стають дедалі важливішим інструментом для близьких надновых. Кожна нова подія такого типу, зафіксована одночасно оптичними телескопами і гравітаційнохвильовими детекторами, наближає до відповіді на питання, яке саме визначає долю ядра зорі, що колапсує — стати нейтронною зорею чи провалитись у чорну діру.