Физики из Массачусетского технологического института пришли к выводу, что значительная часть чёрных дыр во Вселенной могла возникнуть не непосредственно после гибели звёзд, а в результате предыдущих слияний других чёрных дыр.
Анализ данных гравитационно-волновых обсерваторий показал, что около 14% наблюдаемых сегодня сливающихся чёрных дыр могут относиться ко второму поколению подобных объектов.
Главные мысли за 1 минуту:
- Около 14% наблюдаемых слияний черных дыр — это столкновения объектов второго поколения, возникших после предыдущих слияний.
- Главный признак черной дыры «второго поколения» — очень высокая скорость вращения (до 70% от максимально возможной), в отличие от медленного вращения черных дыр звездного происхождения.
- Такие повторные слияния чаще происходят в плотных звездных скоплениях, где черные дыры захватывают друг друга многократно.
- Черные дыры массой более 40 солнечных масс, которые не могут образоваться напрямую из звезд, объясняются именно иерархическими слияниями.
- В 2024 году зарегистрированы два события-кандидата (GW241011 и GW241110), подтверждающие эту модель.
Новый взгляд на рождение черных дыр
Традиционная теория гласит: черная дыра образуется, когда массивная звезда умирает. После взрыва сверхновой ядро сжимается, превращаясь в сверхплотный объект. Однако наблюдения последних лет показали, что это не единственный сценарий. Если две черные дыры сталкиваются, они сливаются в новую, более массивную черную дыру. Та, в свою очередь, может снова участвовать в столкновении — этот процесс называется иерархическим слиянием.
Команда MIT проанализировала каталог GWTC-4.0 — он содержит данные о 155 парах сливающихся черных дыр, собранных обсерваториями LIGO, Virgo и KAGRA. Авторы работы, включая аспирантку Кейлин Планкетт, впервые получили устойчивую статистическую оценку: для некоторых объектов наблюдаемое столкновение оказалось далеко не первым.
Как отличить черную дыру второго поколения?
Ключевой индикатор — скорость вращения. Если черная дыра рождается после коллапса звезды, она теряет угловой момент при взрыве сверхновой и вращается медленно. При слиянии двух черных дыр, напротив, образуется объект, который крутится примерно с 70% от максимально допустимой скорости. Это заметное отличие.
Еще один маркер — асимметрия в массе и вращении партнеров. Когда в паре одна черная дыра заметно тяжелее и вращается быстрее другой, это указывает на то, что она уже прошла через предыдущее слияние. В 2024 году ученые зарегистрировали два таких события — GW241011 и GW241110. Их обнаружили по гравитационным волнам — слабым колебаниям пространства-времени.
Прецессия орбит как улика
Вместо разбора каждого случая по отдельности исследователи построили модель, выявляющую общие признаки повторных столкновений во всем массиве данных. Особое внимание уделили «прецессии орбит» — если собственное вращение черных дыр не совпадает с направлением их общего движения, плоскость орбиты начинает раскачиваться. По характеру этих колебаний можно определить массы и скорости, а значит — вычислить вероятность вторичного происхождения одного из объектов.
Оказалось, что 14% всех зарегистрированных слияний соответствует сценарию, где черная дыра первого поколения сталкивается с «ветераном» — объектом, уже рожденным в предыдущем слиянии.
Загадка масс: почему это важно
Анализ распределения масс выявил четкую закономерность. Черные дыры, появившиеся напрямую из звезд, чаще всего весят около 10 или 30 солнечных масс. У второго поколения типичные массы — 20 солнечных или превышают 40. Последняя группа особенно интересна: теоретически звезды не могут породить черные дыры тяжелее примерно 45 солнечных масс — после взрыва сверхновой вещество разлетается, не оставляя компактного объекта.
Тем не менее такие тяжелые черные дыры уже не раз наблюдались. Исследователи MIT находят этому объяснение: они возникают в результате многократных слияний более мелких черных дыр. Новая работа существенно укрепляет гипотезу о том, что иерархические столкновения — один из главных механизмов эволюции черных дыр, особенно самых массивных.
