Астрономы нашли новое объяснение происхождения самых массивных чёрных дыр звёздного типа, которые фиксируют современные гравитационно-волновые обсерватории. Согласно результатам свежего исследования, многие из таких объектов возникают не напрямую после гибели звёзд, а формируются постепенно — через цепочки последовательных слияний уже существующих чёрных дыр.

Анализ более сотни зарегистрированных столкновений показал, что чёрные дыры тяжелее примерно 45 масс Солнца ведут себя иначе, чем обычные объекты звёздного происхождения. Их свойства указывают на то, что они могли многократно сливаться друг с другом внутри плотных звёздных скоплений, постепенно увеличивая свою массу.

Исследование основано на данных LIGO, Virgo и KAGRA

Работу провела международная группа исследователей, изучившая 153 события слияния чёрных дыр из каталога GWTC4 — одной из крупнейших баз данных гравитационно-волновых наблюдений.

Речь идёт о сигналах, зарегистрированных обсерваториями:

• LIGO;
• Virgo;
• KAGRA.

Эти установки фиксируют гравитационные волны — колебания пространства-времени, возникающие при столкновении массивных объектов вроде чёрных дыр или нейтронных звёзд.

Существование таких волн ещё в 1915 году предсказал Альберт Эйнштейн в рамках общей теории относительности, однако впервые напрямую их удалось зарегистрировать только спустя сто лет — в 2015 году.

Учёные обнаружили две разные группы чёрных дыр

Во время анализа исследователи заметили, что обнаруженные чёрные дыры можно условно разделить на две категории.

Обычные чёрные дыры звёздного происхождения

Первая группа включает относительно лёгкие объекты. Их происхождение хорошо укладывается в классическую модель эволюции звёзд.

Такие чёрные дыры появляются после взрыва сверхновой, когда ядро массивной звезды коллапсирует под действием собственной гравитации.

Сверхтяжёлые объекты с необычными свойствами

Вторая группа оказалась значительно интереснее. В неё вошли чёрные дыры массой более 45 Солнц.

Их характеристики заметно отличаются:

• они вращаются быстрее;
• оси вращения расположены хаотично;
• параметры плохо совпадают с моделями прямого звёздного коллапса.

Именно такие особенности, по мнению исследователей, указывают на многократные слияния.

Самые тяжёлые чёрные дыры могут «собираться» из более мелких

Согласно новой гипотезе, в плотных шаровых звёздных скоплениях чёрные дыры часто сближаются и сталкиваются друг с другом.

После первого слияния объект становится массивнее. Затем он может снова встретиться с другой чёрной дырой и ещё сильнее увеличить массу.

В результате образуется своеобразная цепочка слияний, способная породить чрезвычайно тяжёлые объекты, которые трудно объяснить обычной смертью одной звезды.

Почему предел в 45 масс Солнца так важен

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

Согласно этой модели, существует диапазон масс, при котором звезда после взрыва сверхновой полностью разрушается и не оставляет после себя чёрную дыру.

Именно поэтому появление чёрных дыр тяжелее примерно 45 солнечных масс долгое время оставалось загадкой.

Авторы работы считают, что такие объекты гораздо проще объяснить не прямым коллапсом звезды, а последовательными слияниями уже существующих чёрных дыр.

Вращение чёрных дыр подтвердило новую гипотезу

Участница исследования Изобел Ромеро-Шоу отметила, что массивные чёрные дыры ведут себя иначе, чем менее тяжёлые объекты.

По её словам, случайные направления вращения и высокая скорость вращения хорошо соответствуют сценарию множественных столкновений в плотных звёздных скоплениях.

Если чёрная дыра неоднократно участвовала в слияниях, её вращение становится всё более хаотичным — именно такую картину и наблюдают учёные.

Исследование ставит новые вопросы перед астрофизикой

Руководитель работы Фабио Антонини из Кардиффского университета заявил, что теперь перед учёными стоит важный вопрос: действительно ли современные модели звёздной эволюции нуждаются в пересмотре, или же самые тяжёлые чёрные дыры просто формируются совершенно другим способом.

Пока результаты исследования склоняют научное сообщество ко второму варианту — самые массивные чёрные дыры во Вселенной могут быть результатом длинной цепочки космических столкновений, продолжающихся миллионы лет.