Черные дыры оказались не одной семьей: гравитационные волны указали на скрытые группы

С 2015 года детекторы LIGO, Virgo и KAGRA фиксируют гравитационные волны — рябь в пространстве-времени, которую создают сталкивающиеся черные дыры. Каждый такой сигнал несет в себе информацию о массе и спине объектов.

Спин — это скорость и направление вращения черной дыры вокруг собственной оси. По тому, как вращается черная дыра и как это вращение соотносится с орбитой двойной системы, можно понять, как она вообще образовалась. К 2026 году каталог подобных событий перевалил за несколько сотен, но вопрос о происхождении этих объектов так и оставался без ответа.

Первая команда под руководством Кэйлин Планкетт из Массачусетского технологического института сосредоточилась на двух параметрах спина и построила модель, которая ищет закономерности в том, как вращение черной дыры соотносится с ее орбитой. Вторая команда под руководством Шарана Банагири из Университета Монаша в Австралии выбрала другой путь: они не задавали модели никаких предположений о природе объектов и просто позволили данным самим обнаружить, сколько групп в них присутствует.

Оба исследования независимо друг от друга нашли одно и то же: среди всех зафиксированных слияний выделяется отдельная группа черных дыр с массой примерно от 40 солнечных масс и выше. Это нетипично тяжелые объекты, и они явно отличаются от остальных.

Команда Планкетт обнаружила, что у таких черных дыр быстрые и хаотично направленные спины — это след, который остается тогда, когда черная дыра возникла не из коллапса звезды, а из предыдущего слияния двух других черных дыр. Это черные дыры второго поколения. Команда Банагири тоже нашла высокие спины в этой группе, хотя однозначно приписать им такое происхождение не решилась.

Черные дыры, которые образуются из умирающих звезд, теоретически не могут превышать определенный предел по массе — это разрыв попарной нестабильности. Если звезда слишком тяжелая, она не оставляет после себя черную дыру: ее разрывает ядерная реакция еще до коллапса. Но слияние двух более легких черных дыр такого ограничения не имеет и может дать объект, который в природе «по правилам» появиться не должен. Судя по всему, это происходит с тяжелыми объектами, которые нашли обе команды.

Это открытие затрагивает и более широкий вопрос — о том, как вообще вырастают сверхмассивные черные дыры в центрах галактик. Если черные дыры умеют набирать массу через цепочку последовательных слияний, это один из возможных путей к объектам с массами в миллионы и миллиарды солнечных.

Ранее астрономы обнаружили пару сверхмассивных черных дыр, готовящихся к слиянию.

На обложке иллюстрация phys.org