Учёные раскрыли новый сценарий: чёрные дыры могут образовываться из других чёрных дыр

Исследование 155 пар двойных систем продемонстрировало, что 14% наблюдаемых объектов находятся в «запрещённой» зоне масс и не соответствуют сценариям гибели звёзд, что указывает на сложную историю их формирования

Наука и космос054 минуты назад

Астрофизики нашли свидетельства того, что значительная часть чёрных дыр во Вселенной формируется не в результате гибели звёзд, а в ходе их столкновений. Согласно исследованию, опубликованному в Physical Review Letters, приблизительно 14% всех сливающихся объектов принадлежат ко второму поколению. Это объясняет, как образуются чёрные дыры в теоретическом разрыве масс, где они физически не могут возникнуть в результате коллапса звёзд.

Основанием для исследования послужил анализ 155 пар двойных чёрных дыр, зарегистрированных по их гравитационным волнам. Данные были собраны международной сетью гравитационных детекторов, включающей гравитационно-волновую обсерваторию LIGO в США, детектор Virgo в Италии и интерферометр KAGRA в Японии. В исследовании также использовались архивные данные из каталога.

Ключевым результатом анализа стало установление ясной границы, выше которой механизмы классической эволюции звёзд теряют свою эффективность. Учёные определили, что при массе первичного компонента более 46.2 солнечных масс популяция чёрных дыр почти полностью состоит из продуктов повторных слияний. Этот порог точно совпадает с началом разрыва масс, вызванного парно-нестабильными сверхновыми (сценарий гибели очень массивных звёзд, при котором ядро полностью уничтожается в термоядерном взрыве, не оставляя компактного объекта).

Помимо сверхмассивных объектов, авторы также обнаружили ещё одну аномалию — неожиданный пик доли чёрных дыр второго поколения в области низких масс, около 15.7 солнечных масс. В этой точке доля объектов, образовавшихся в результате предыдущих столкновений, составляет не менее 5%. Учёные связывают существование двух столь различных групп с металличностью звёздной среды [количеством элементов тяжелее водорода и гелия]. Низкомассивный пик формируется в звёздных скоплениях с химическим составом, близким к солнечному, тогда как гиганты, превышающие 46 солнечных масс, возникают в древних, бедных металлами областях Вселенной.

Для разделения чёрных дыр первого поколения, возникших непосредственно из звёзд, от объектов второго поколения, авторы разработали математическую модель. Она анализирует одновременно два параметра: скорость и направление вращения чёрных дыр во время их сближения, а также степень наклона и колебаний орбитальной плоскости. Когда сталкиваются объекты с несинхронизированным вращением, плоскость их орбит начинает волнообразно колебаться (прецессировать). Степень этого «качания» позволяет точно определить массы и вращения объектов.

Характерным признаком иерархического слияния является его асимметричность: один из компонентов пары всегда значительно массивнее и обладает более высоким вращением. В общем массиве данных были выделены конкретные гравитационно-волновые сигналы с наивысшей статистической вероятностью такого происхождения.

Как показало исследование, подобные «циклы перерождения чёрных дыр» происходят в плотных звёздных скоплениях. В таких условиях, когда множество близких массивных звёзд погибает и оставляет после себя чёрные дыры, гораздо проще «гравитационно объединиться». Теоретически этот процесс может повторяться многократно, формируя всё более тяжёлые объекты.

Учет существования субпопуляции второго поколения важен для точности всей современной астрофизики. Авторы работы показали, что если игнорировать иерархические слияния, то модели искусственно завышают ширину распределения спинов (скорости и направления вращения) для обычных чёрных дыр первого поколения почти в 2 раза. Общая доля повторных столкновений в 14% полностью согласуется с теоретическими расчетами динамического моделирования для звёздных кластеров.

Точное картирование характеристик чёрных дыр позволяет учёным исследовать процессы в недрах звёзд. Новые данные накладывают фундаментальные физические ограничения на сечения важнейших термоядерных реакций в массивных светилах, в частности на реакцию превращения углерода-12 и гелия в кислород-16.

Darth SaharaИсточники:Physical Review LettersarXivНаука и космос0КосмосАстрофизикаЧёрные дырыГравитационные волныКосмические исследованияОбсерватория LIGOОбсерватория Virgo54 минуты назад