Учёные выяснили, что чёрные дыры могут рождаться из других чёрных дыр

Астрофизики получили убедительные данные, подтверждающие, что значительная доля чёрных дыр во Вселенной имеет вторичное происхождение, рождаясь при столкновении ранее возникших объектов. Согласно публикации в журнале Physical Review Letters, примерно 14% всех слияний, зафиксированных детекторами, представляют собой «второе поколение». Это открытие проливает свет на природу объектов, существующих в так называемом массовом разрыве — области, где формирование чёрных дыр классическим путём (через гибель светила) считается физически невозможным.

В основу исследования лёг анализ данных о 155 парах двойных чёрных дыр, сигналы от которых были уловлены глобальной сетью обсерваторий, включая LIGO, Virgo и KAGRA, а также архивными материалами специализированных каталогов.

Ключевой находкой стало определение критического предела, за которым стандартные механизмы звёздной эволюции утрачивают силу. Установлено, что при массе первичного компонента более 46,2 солнечных масс наблюдаемая популяция почти целиком состоит из «наследников» предыдущих слияний. Этот порог совпадает с границей парно-нестабильных сверхновых, когда массивное ядро звезды полностью детонирует, не оставляя после себя компактного остатка.

Помимо этого, учёные обнаружили вторую аномалию: локальный пик чёрных дыр второго поколения наблюдается в низкомассивном диапазоне около 15,7 масс Солнца (здесь их доля составляет не менее 5%). Столь существенные различия исследователи связывают с металличностью среды: «лёгкий» пик характерен для звёздных скоплений с химическим составом, близким к солнечному, тогда как гиганты весом более 46 масс Солнца возникают преимущественно в древних регионах Вселенной, бедных тяжёлыми элементами.

Для идентификации объектов второго поколения авторы разработали математический алгоритм, оценивающий параметры вращения и динамику орбитальной плоскости при сближении. Поскольку столкновение объектов с некогерентным вращением вызывает прецессию — волнообразные колебания орбиты, — анализ этого «покачивания» позволяет с высокой точностью вычислить спины и массы компонентов.

Главным индикатором иерархического слияния служит выраженная асимметрия пары: один объект неизменно оказывается заметно массивнее и обладает более интенсивным вращением. В имеющемся массиве данных были выделены сигналы, с высокой вероятностью соответствующие именно такому сценарию.

Исследование подтверждает, что подобные «циклы перерождения» происходят в плотных звёздных кластерах. В такой среде высока концентрация чёрных дыр, что способствует их гравитационному захвату и многократному слиянию, ведущему к росту массы объектов.

Учёт этой субпопуляции принципиально важен для точности астрофизических моделей. Учёные доказали, что игнорирование факта иерархических слияний приводит к двукратному завышению разброса скоростей вращения для обычных чёрных дыр первого поколения. Полученная цифра в 14% идеально согласуется с теоретическими прогнозами динамики звёздных систем.

Более того, детальное картирование характеристик чёрных дыр даёт ключ к пониманию процессов, протекающих в недрах звёзд. Новые данные позволяют наложить строгие ограничения на фундаментальные физические константы, в частности — на интенсивность протекания ключевых термоядерных реакций, превращающих углерод и гелий в кислород.

Источник: iXBT