Ученые объяснили существование аномально тяжелых объектов в космосе.
Самые тяжёлые чёрные дыры, найденные по ряби пространства-времени, могли появиться не после смерти одной гигантской звезды. Новое исследование указывает на более жестокий путь: чёрные дыры сначала сталкиваются друг с другом, затем получившиеся объекты снова попадают в новые слияния. Такая цепочка лучше всего работает в плотных звёздных скоплениях, где светила и компактные остатки звёзд находятся гораздо ближе друг к другу, чем в окрестностях Солнца.
Международная группа под руководством Кардиффского университета изучила версию 4.0 каталога гравитационно-волновых событий LIGO-Virgo-KAGRA, известную как GWTC-4. В каталог вошли 153 достаточно надёжных регистрации слияний чёрных дыр. Гравитационные волны возникают, когда массивные объекты ускоряются и возмущают пространство-время. Детекторы LIGO, Virgo и KAGRA ловят эти слабые сигналы и позволяют восстановить массу, вращение и часть истории столкнувшихся объектов.
Исследователи проверяли идею, что самые массивные чёрные дыры в GWTC-4 относятся ко второму поколению. Обычная чёрная дыра звёздной массы рождается после коллапса массивной звезды. Объект второго поколения появляется иначе: две более ранние чёрные дыры сливаются, образуют новую, а затем новая чёрная дыра снова участвует в столкновении. В плотных ядрах звёздных скоплений подобный сценарий намного вероятнее, потому что звёзды и чёрные дыры могут быть упакованы до 1 млн раз плотнее, чем рядом с Солнцем.
Данные показали две разные группы. Первая состоит из менее массивных чёрных дыр, которые хорошо согласуются с обычным звёздным коллапсом. Вторая включает более тяжёлые объекты с признаками другой биографии. У массивных систем вращение оказалось быстрее, а оси вращения выглядели ориентированными в случайных направлениях. Именно такой след ожидают от иерархических слияний: после нескольких столкновений чёрная дыра наследует момент импульса от прежних орбит и ударов, а не сохраняет аккуратную ориентацию, характерную для спокойной пары звёзд.
Мы в MAX. Простите.
Авторы работы считают, что гравитационно-волновая астрономия уже вышла за пределы простого подсчёта слияний. По форме сигнала можно не только заметить столкновение, но и понять, где росли чёрные дыры, как часто встречались с соседями и какую роль сыграла среда вокруг них. В случае самых тяжёлых объектов ключевым фактором можно считать не только жизнь и смерть массивных звёзд, но и динамика звёздных скоплений.
Особенно важным результатом можно считать новое подтверждение так называемого разрыва масс. Теория давно предсказывает диапазон, где чёрные дыры не должны рождаться напрямую из звёзд. Причина связана с парной нестабильностью: в недрах очень массивной звезды гамма-излучение может превращаться в пары частица-античастица, давление падает, ядро резко сжимается, а последующий термоядерный взрыв способен полностью разрушить звезду. После такой катастрофы чёрная дыра не остаётся.
Команда Кардиффского университета нашла признаки этого запрещённого диапазона примерно от 45 масс Солнца и выше для чёрных дыр звёздного происхождения. Проблема в том, что гравитационно-волновые детекторы уже видят объекты вблизи этой области или внутри неё. Значит, перед астрофизиками остаётся два варианта: либо модели эволюции массивных звёзд требуют уточнения, либо часть тяжёлых чёрных дыр появилась не напрямую из звёзд, а через предыдущие слияния.
Распределение вращений поддерживает второй сценарий. Ниже примерно 45 масс Солнца системы чаще выглядят как обычные продукты звёздной эволюции. Выше этой границы картина меняется: спины становятся быстрее и менее упорядоченными. Такой переход трудно объяснить только стандартными двойными звёздами, которые родились вместе, эволюционировали рядом и затем превратились в пару чёрных дыр. Зато плотное скопление даёт естественную среду для повторных столкновений.
Звёздные скопления в этой картине работают как космические фабрики слияний. В их ядрах тяжёлые объекты постепенно оседают ближе к центру, чаще сближаются и образуют новые пары. После первого столкновения получившаяся чёрная дыра может остаться в скоплении, встретить ещё одного компаньона и снова слиться. Каждый новый этап увеличивает массу и меняет вращение, поэтому итоговый объект уже плохо похож на чёрную дыру, возникшую после одиночного коллапса звезды.
Исследование затрагивает и физику звёздных недр. Граница разрыва масс зависит от ядерных реакций, которые идут при горении гелия внутри массивных звёзд. Если гравитационно-волновые наблюдения будут точнее показывать, где заканчиваются обычные чёрные дыры и начинаются объекты с историей повторных слияний, астрофизики смогут проверять не только модели скоплений, но и расчёты ядерных процессов в звёздах.
Новый анализ не отменяет обычный путь рождения чёрных дыр после коллапса звезды. Меняется другое: самые массивные объекты в текущей выборке всё труднее объяснять одной звёздной смертью. Их массы и вращение лучше складываются в историю с несколькими столкновениями в тесной и хаотичной среде. Следующие каталоги LIGO, Virgo и KAGRA должны показать, насколько часто Вселенная выращивает такие чёрные дыры через цепочки катастроф.