Исследователи гравитационных волн, возможно, раскрыли тайну происхождения самых крупных черных дыр во Вселенной. Вместо того чтобы образовываться непосредственно из коллапсирующих звезд, эти гигантские объекты, похоже, растут благодаря повторяющимся столкновениям черных дыр внутри чрезвычайно плотных звездных скоплений. Новое исследование под руководством Кардиффского университета проанализировало данные 153 надежно зафиксированных слияний черных дыр из каталога гравитационно-волновых событий LIGO-Virgo-KAGRA.
Ученые сосредоточились на проверке гипотезы о том, что крупнейшие черные дыры в каталоге являются «объектами второго поколения». В таком сценарии черные дыры, образовавшиеся из умирающих звезд, сначала сталкиваются друг с другом, а затем сливаются снова в плотных звездных средах, где звезды упакованы в миллион раз плотнее, чем вокруг нашего Солнца. Высокая концентрация звезд в таких скоплениях не позволяет продуктам первого слияния разлететься в межзвездное пространство: благодаря общей гравитации скопления они остаются внутри и могут многократно взаимодействовать с другими объектами. Трехтельные и многократные динамические столкновения «подбрасывают» образовавшиеся черные дыры в центр скопления, где они формируют новые двойные системы, способные к очередному слиянию. Этот процесс может повторяться, пока масса черной дыры не станет достаточно большой, чтобы покинуть скопление из-за отдачи.
Результаты, опубликованные в журнале Nature Astronomy, указывают на то, что самые массивные черные дыры, обнаруженные с помощью гравитационных волн, принадлежат к отдельному классу с совершенно иной историей, нежели у более мелких черных дыр. «Гравитационно-волновая астрономия теперь делает нечто большее, чем просто подсчет слияний черных дыр, — объясняет ведущий автор доктор Фабио Антонини из Школы физики и астрономии Кардиффского университета. — Она начинает показывать, как черные дыры растут, где они растут и что это говорит нам о жизни и смерти массивных звезд. Это захватывающе, потому что мы можем использовать эту информацию для проверки нашего понимания того, как звезды и скопления эволюционируют во Вселенной».
Анализируя сигналы гравитационных волн, команда выявила две отчетливые группы: популяцию с меньшей массой, соответствующую обычному звездному коллапсу, и популяцию с большей массой, чьи спины точно соответствуют ожиданиям для иерархических слияний в плотных звездных скоплениях. При слиянии черных дыр гравитационно-волновой сигнал содержит информацию о спине объектов: спин влияет на амплитуду, частоту и поляризацию волн на финальных стадиях слияния. Измерив параметры сигнала, ученые могут вычислить, как быстро и вокруг какой оси вращаются черные дыры. Черные дыры изолированных двойных обычно имеют низкий спин, тогда как после многократных слияний в скоплениях спин и его ориентация хаотизируются. Сравнивая наблюдаемые спины с моделями, астрономы определяют, из какой популяции произошла каждая пара.
«Что нас больше всего удивило, так это то, насколько явно черные дыры с большой массой выделяются как отдельная популяция», — вспоминает соавтор исследования доктор Изобель Ромеро-Шоу. Исследователи отмечают, что поведение спинов у более тяжелых черных дыр оказалось особенно показательным. Исследование также укрепляет доказательства существования загадочного «промежутка масс», предсказанного астрофизиками на протяжении десятилетий. Согласно этой теории, звезды выше определенного размера должны взрываться настолько violently, что полностью разрушаются, вместо того чтобы превращаться в черные дыры. Это создает запрещенный диапазон, в котором черные дыры, образовавшиеся непосредственно из звезд, не должны существовать, и исследователи определили этот переход у черных дыр с массами примерно в 45 раз больше солнечной.
«Самые большие черные дыры в текущей выборке, похоже, рассказывают нам о динамике скоплений, а не только о звездной эволюции», — добавляет доктор Антонини. Выше отметки примерно в 45 солнечных масс распределение спинов меняется таким образом, что его трудно объяснить обычными двойными звездными системами, но это естественным образом объясняется, если эти черные дыры уже прошли через предыдущие слияния в плотных скоплениях. В будущем гравитационно-волновые данные могут помочь ученым изучать ядерные реакции, связанные со сжиганием гелия в звездных ядрах, открывая новые пути для понимания как формирования черных дыр, так и эволюции звезд.
Источник: The Universe’s biggest black holes may be forged in violent mergers