Последние исследования показывают, что самая большая черная дыра во Вселенной, скорее всего, не образовалась в результате прямого коллапса одной массивной звезды, а образовалась «слой за слоем» глубоко в чрезвычайно густонаселенном звездном скоплении в результате серии жестоких слияний. Исследование, проведенное Кардиффским университетом в Великобритании, показало, что самые тяжелые черные дыры в гравитационно-волновых астрономических наблюдениях принадлежат к независимой группе, а история их рождения больше похожа на «генеалогическое древо черных дыр из нескольких поколений», а не на конец эволюции обычных звезд.
Научно-исследовательская группа систематически проанализировала четвертое издание Каталога гравитационно-волновых переходных процессов (GWTC-4), выпущенное коллаборацией LIGO-Virgo-KAGRA, которое включало 153 весьма достоверных события слияния черных дыр. Особое внимание исследователи уделили наиболее массивным черным дырам в выборке, чтобы проверить, являются ли они продуктами «второго поколения» или даже более высоких «поколений» — то есть ранние черные дыры сливались в плотные звездные скопления, чтобы породить более массивные черные дыры, и эти черные дыры снова сталкивались и сливались в ходе последующей эволюции и продолжали набирать вес. В этом типе плотных звездных скоплений пространственная плотность звезд и компактных объектов может быть в миллион раз выше, чем в окрестностях Солнца, что обеспечивает естественную сцену для «серийных слияний» черных дыр.
Результаты исследования были опубликованы в свежем номере журнала «Nature Astronomy». Статистические характеристики, приведенные в статье, показывают, что самая тяжелая группа черных дыр, наблюдаемая гравитационными волнами, демонстрирует очевидные отличия в распределении массы и спина от черных дыр, образовавшихся в результате коллапса обычных звезд, и ее следует рассматривать как независимую группу, образовавшуюся в результате иерархических слияний. Другими словами, гравитационные волны не только «подсчитывают» события столкновений черных дыр, но также начинают показывать, как и где растут черные дыры, и обратно ограничивают теорию эволюции массивных звезд и звездных скоплений.
Посредством детального моделирования и анализа сигналов гравитационных волн исследователи выделили в выборке две основные популяции черных дыр: одна представляет собой черную дыру с меньшей массой, свойства которой в основном соответствуют традиционной модели звездного коллапса; другая — черная дыра со значительно большей массой, характеристики вращения которой полностью соответствуют ожиданиям множественных иерархических слияний в плотных звездных скоплениях. Изучение вращения высококачественных черных дыр особенно важно, поскольку размер и направление вращения отражают историю слияний ее предшественников – черных дыр.
В статье отмечается, что вращения групп высококачественных черных дыр не только в целом быстрее, но и имеют почти случайное распределение направлений вращения, которое полностью отличается от «упорядоченного» состояния вращения в типичной эволюции двойных звезд. Это удивило исследовательскую группу и значительно усилило доверие к «происхождению плотных звездных скоплений». По сравнению с предыдущими меньшими и более ранними каталогами гравитационных волн, высококачественные системы в этом анализе «выскакивают» более явно в пространстве параметров, укрепляя суждение о том, что они принадлежат к независимой группе.
В дополнение к описанию пути роста черных дыр-монстров, это исследование также предоставляет одно из самых убедительных на сегодняшний день наблюдательных доказательств давнего предсказания астрофизики — «разрыва в массах» черных дыр. Теория состоит в том, что чрезвычайно массивные звезды перед смертью претерпят жестокий процесс парной нестабильности, яростно взрываясь и полностью уничтожая себя, не оставляя больше остатков черных дыр. Это означает, что в определенном диапазоне масс звезды не должны напрямую производить черные дыры, образуя «запретную зону».
Исследовательская группа обнаружила в образце признаки этого перехода: около 45 масс Солнца распределение черных дыр существенно изменилось. Фабио Антонини, ведущий автор статьи, сказал, что они увидели в данных доказательства давно предсказанного «нестабильного разрыва масс» — диапазона масс, в котором звезды не должны оставлять после себя черные дыры. Однако детекторы гравитационных волн успешно обнаружили черные дыры в этой щели или рядом с ней, сконцентрированные с массой около 45 солнечных масс. Это поднимает ключевой вопрос: бросают ли эти черные дыры вызов существующим моделям звездной эволюции, или они просто вообще не образуются непосредственно из одной звезды, а «собираются воедино» другим путем — иерархическими слияниями?
Исследования показывают, что в нынешней выборке информация, которую несут самые массивные черные дыры, больше указывает на динамические эффекты звездных скоплений, а не просто на эволюцию одиночных звезд. Когда масса черной дыры превышает примерно 45 масс Солнца, распределение ее спина внезапно существенно меняется. Это трудно объяснить с помощью эволюции обычных двойных звезд, но это можно естественным образом понять, поскольку «эти черные дыры пережили несколько раундов слияний в плотных звездных скоплениях». Это еще раз подтверждает идею о том, что чудовищные черные дыры накапливаются и растут из поколения в поколение глубоко в звездных скоплениях.
Работа также связывает астрономию гравитационных волн с процессами ядерной физики внутри звезд. Команда использовала поворотный момент вблизи разницы между массами, чтобы сделать вывод о ключевой ядерной реакции, связанной с горением гелия в массивных звездах, тем самым предоставив новый способ изучения ядерных процессов глубоко в ядре звезд. Исследователи заявили, что с накоплением наблюдений гравитационных волн в будущем ученые, возможно, смогут сделать обратный вывод о сложной цепочке ядерных реакций внутри звезды благодаря точной форме распределения масс черной дыры и разницы между массами.
Соавтор статьи Фани Досопулу и другие отметили, что так называемый верхний предел массы, установленный «для нестабильности», напрямую зависит от конкретных ядерных реакций, которые происходят в ядре массивных звезд. Таким образом, продолжающееся накопление данных о гравитационных волнах не только перепишет наше понимание популяции черных дыр, но также может стать новой экспериментальной «лабораторией» для изучения ядерной физики. Для Вселенной каждое слияние черных дыр является жестоким и кратковременным событием, но с помощью «слышания» гравитационных волн люди используют эти мгновенные вибрации, чтобы реконструировать долгую историю чудовищных черных дыр, тихо растущих в глубинах Вселенной.