Ученые выяснили, как во Вселенной появляются самые большие черные дыры

Ученые, изучающие гравитационные волны, считают, что они раскрыли механизм появления самых больших черных дыр во Вселенной. Согласно новому исследованию, эти огромные объекты не образуются напрямую из коллапсирующих звезд, а вырастают в результате многократных столкновений черных дыр внутри чрезвычайно плотных звездных скоплений.

Исследование, проведенное под руководством Кардиффского университета, изучило версию 4.0 каталога гравитационно-волновых транзиентов LIGO-Virgo-KAGRA (GWTC4), который содержит 153 надежных детектирования слияний черных дыр.

Ученые сосредоточились на том, могут ли самые крупные черные дыры в каталоге быть объектами «второго поколения». В этом сценарии черные дыры, образовавшиеся из умирающих звезд, сталкиваются друг с другом, а затем сливаются снова в плотных звездных средах, где звезды упакованы в миллион раз плотнее, чем вокруг нашего Солнца.

Результаты, опубликованные в журнале Nature Astronomy, показывают, что самые массивные черные дыры, обнаруженные с помощью гравитационных волн, принадлежат к отдельному классу с совершенно иной историей, чем у более мелких черных дыр.

«Гравитационно-волновая астрономия сейчас делает больше, чем просто подсчет слияний черных дыр, — объясняет ведущий автор доктор Фабио Антонини из Школы физики и астрономии Кардиффского университета. — Она начинает раскрывать, как растут черные дыры, где они растут и что это говорит нам о жизни и смерти массивных звезд. Это захватывающе, потому что мы можем использовать эту информацию для проверки нашего понимания того, как звезды и скопления эволюционируют во Вселенной».

Анализируя сигналы гравитационных волн, команда выявила две различные группы: популяцию с меньшей массой, соответствующую обычному звездному коллапсу, и популяцию с большей массой, чьи спины точно соответствуют ожидаемым от иерархических слияний в плотных звездных скоплениях. Исследователи отмечают, что поведение спина более тяжелых черных дыр было особенно показательным.

«Больше всего нас удивило то, насколько четко черные дыры с высокой массой выделяются как отдельная популяция, — вспоминает соавтор доктор Изобель Ромеро-Шоу, стипендиат Эрнеста Резерфорда в Кардиффском университете. — В отличие от систем с меньшей массой, которые мы анализировали и которые в целом медленно вращались, системы с большей массой имеют более быстрое вращение, ориентированное, по-видимому, в случайных направлениях. Это именно та сигнатура, которую можно было бы ожидать, если бы черные дыры многократно сливались в плотных звездных скоплениях. Это делает происхождение из скоплений гораздо более убедительным, чем это было с более ранними каталогами».

Исследование также подтверждает существование загадочного «провала масс», предсказанного астрофизиками десятилетиями назад. Согласно этой теории, звезды выше определенного размера должны взрываться настолько violently, что полностью разрушаются, вместо того чтобы коллапсировать в черные дыры. Исследователи определили этот переход у черных дыр с массами примерно в 45 раз больше массы Солнца.

«В нашем исследовании мы находим доказательства давно предсказанного провала масс из-за парной нестабильности — диапазона масс, в котором звезды, как ожидается, вообще не будут оставлять после себя черные дыры, — сказал доктор Антонини. — Детекторы гравитационных волн успешно нашли черные дыры, которые, по-видимому, находятся в этом провале или рядом с ним, который мы идентифицируем на уровне около 45 солнечных масс. Ключевой вопрос сейчас: говорят ли нам эти черные дыры, что наши модели звездной эволюции неверны, или они образуются другим способом? Самые большие черные дыры в текущей выборке, похоже, рассказывают нам о динамике скоплений, а не только о звездной эволюции. Выше примерно 45 солнечных масс распределение спинов меняется таким образом, что это трудно объяснить только обычными звездными двойными системами, но естественным образом объясняется, если эти черные дыры уже прошли через более ранние слияния в плотных скоплениях».

Исследователи считают, что эти открытия могут в конечном итоге помочь ученым изучать процессы, происходящие глубоко внутри массивных звезд. Команда использовала переход вблизи провала масс для изучения важной ядерной реакции, связанной с горением гелия в звездных ядрах.

«В будущем данные гравитационных волн могут помочь ученым изучать ядерную физику, поскольку предел массы, установленный парной нестабильностью, зависит от ядерных реакций, происходящих в ядрах массивных звезд», — добавила соавтор доктор Фани Досопулу, научный сотрудник Кардиффского университета.