Самые массивные чёрные дыры могут рождаться не из звёзд, а в результате серии слияний

Учёные предложили новое объяснение происхождения тяжёлых чёрных дыр

Международная группа исследователей представила новое объяснение происхождения самых тяжёлых чёрных дыр звёздной массы, которые фиксируются с помощью гравитационных волн. Анализ десятков космических столкновений показал: объекты тяжелее примерно 45 масс Солнца, вероятно, возникают не напрямую после гибели звёзд, а формируются постепенно — через многократные слияния уже существующих чёрных дыр в плотных звёздных скоплениях.

Речь идёт не о сверхмассивных чёрных дырах в центрах галактик, а о так называемых чёрных дырах звёздного происхождения. Их существование астрономы обнаруживают благодаря гравитационным волнам — колебаниям пространства-времени, возникающим при столкновении массивных объектов. Эти сигналы регистрируют обсерватории LIGO, Virgo и KAGRA. Саму возможность существования гравитационных волн ещё в 1915 году предсказал Альберт Эйнштейн в рамках общей теории относительности.

Анализ 153 космических столкновений

Учёные изучили данные 153 слияний чёрных дыр из каталога гравитационно-волновых событий GWTC4, подготовленного коллаборацией LIGO–Virgo–KAGRA. Главной задачей исследования было понять, каким образом формируются наиболее тяжёлые объекты в этой выборке.

Две группы чёрных дыр

Результаты анализа показали существование двух разных групп.

Первая включает чёрные дыры сравнительно небольшой массы. По мнению исследователей, они появляются после взрывов сверхновых, когда ядро массивной звезды коллапсирует под действием собственной гравитации.

Во вторую группу входят более массивные объекты. Их свойства, прежде всего особенности вращения, указывают на другое происхождение. Учёные считают, что такие чёрные дыры могли пройти через серию последовательных слияний в плотных шаровых звёздных скоплениях — древних системах, содержащих огромное количество старых звёзд.

Именно в подобных условиях вероятность столкновения чёрных дыр значительно возрастает. После каждого слияния объект становится тяжелее и может снова участвовать в новых столкновениях.

Почему граница в 45 масс Солнца считается важной

Исследование также связано с так называемой гипотезой «провала масс», возникающего из-за парной неустойчивости в ядрах очень массивных звёзд.

Согласно этой модели, звёзды определённого диапазона масс после гибели не образуют чёрные дыры. Вместо этого сверхновая полностью разрушает звезду, не оставляя компактного остатка. Нижнюю границу такого диапазона исследователи связывают примерно с 45 массами Солнца.

Цепочка слияний как объяснение

Из-за этого происхождение более тяжёлых чёрных дыр долгое время оставалось загадкой. Новые результаты делают наиболее вероятным сценарий, при котором такие объекты появляются именно благодаря повторным слияниям.

Если чёрная дыра уже однажды участвовала в столкновении, её масса увеличивается. В условиях плотного звёздного скопления она может вновь столкнуться с другой чёрной дырой, продолжая накапливать массу. Со временем это позволяет формировать объекты значительно тяжелее предела в 45 солнечных масс.

Участница исследования Изобел Ромеро-Шоу отметила, что массивные чёрные дыры отличаются от менее тяжёлых аналогов более быстрым вращением и хаотичными направлениями осей вращения. Подобные характеристики хорошо соответствуют модели многократных слияний в плотной звёздной среде.

Что это значит для современной астрофизики

По словам руководителя исследования Фабио Антонини из Кардиффского университета, главный вопрос сейчас заключается в том, свидетельствуют ли такие открытия о неполноте существующих моделей звёздной эволюции или же речь действительно идёт о другом механизме формирования чёрных дыр.

Новые данные могут серьёзно повлиять на современные представления об эволюции массивных звёзд и процессах, происходящих в шаровых скоплениях. По мере развития гравитационно-волновой астрономии количество обнаруженных слияний будет расти, а вместе с ним — и понимание того, как во Вселенной возникают самые тяжёлые чёрные дыры звёздного происхождения.

Alexei Smirnov

«Чрезвычайный решатель проблем. Ниндзя для путешествий. Типичный веб-наркоман. Проводник. Писатель. Читатель. Неизлечимый организатор».