Анализ 155 пар двойных систем показал, что 14% наблюдаемых объектов в «запрещённой» зоне масс не вписываются в сценарий гибели звёзд и указывают на сложную историю формирования
Астрофизики обнаружили доказательства того, что значительная часть чёрных дыр во Вселенной рождается не в результате гибели звёзд, а в процессе их столкновений друг с другом. Согласно исследованию, опубликованному в Physical Review Letters, около 14% всех сливающихся объектов относятся ко второму поколению. Это объясняет, как возникают чёрные дыры в теоретическом разрыве масс, где они физически не могут сформироваться путём коллапса звёзд.
В основу работы лёг анализ 155 пар двойных чёрных дыр, зафиксированных по их гравитационным волнам. Данные были собраны международной сетью гравитационных детекторов, включающей гравитационно-волновую обсерваторию LIGO в США, детектор Virgo в Италии и интерферометр KAGRA в Японии. В исследовании использовались так же архивные данные из каталогов.
Главным результатом анализа стало определение чёткой границы, выше которой механизмы классической эволюции звёзд перестают работать. Учёные установили, что при массе первичного компонента более 46.2 массы Солнца популяция чёрных дыр почти полностью состоит из продуктов повторных слияний. Этот порог в точности совпадает с началом разрыва масс, обусловленного парно-нестабильными сверхновыми (сценарий гибели очень массивных звёзд, при котором ядро полностью уничтожается термоядерным взрывом, не оставляя после себя компактного объекта).
Помимо сверхмассивных объектов, авторы обнаружили ещё одну аномалию — неожиданный пик доли чёрных дыр второго поколения в области низких масс около 15.7 масс Солнца. В этой точке доля объектов, образовавшихся в результате предыдущих столкновений, составляет не менее 5%. Учёные связывают существование двух столь разных групп с металличностью звёздной среды [количеством элементов тяжелее водорода и гелия]. Низкомассивный пик формируется в звёздных скоплениях с химическим составом околосолнечного типа, тогда как гиганты тяжелее 46 масс Солнца появляются в древних, бедных металлами областях Вселенной.
Чтобы отделить чёрные дыры первого поколения, возникшие напрямую из звёзд, от объектов второго поколения, авторы разработали математическую модель. Она анализирует одновременно 2 параметра: скорость и направление вращения чёрных дыр при их сближении и меру наклона и колебания орбитальной плоскости. Когда сталкиваются объекты с несинхронным вращением, плоскость их орбит начинает волнообразно колебаться (прецессировать). Степень этого «покачивания» позволяет точно вычислить массы и спины объектов.
Характерным признаком иерархического слияния является его асимметричность: один из компонентов пары всегда заметно массивнее и обладает более высоким вращением. В общем массиве данных были выделены конкретные гравитационно-волновые сигналы с наивысшей статистической вероятностью такого происхождения.
Как показало исследование, подобные «циклы перерождения чёрных дыр» происходят в плотных звёздных скоплениях. В таких условиях, когда множество близких массивных звёзд гибнут и образуют после себя чёрные дыры, гораздо проще «гравитационно объединиться». Теоретически этот процесс может повторяться многократно, формируя всё более тяжёлые объекты.
Учёт существования субпопуляции второго поколения важен для точности всей современной астрофизики. Авторы работы показали, что если игнорировать иерархические слияния, то модели искусственно завышают ширину распределения спинов (скорость и направление вращения) для обычных чёрных дыр первого поколения почти в 2 раза. Общая доля повторных столкновений в 14% полностью согласуется с теоретическими расчётами динамического моделирования для звёздных кластеров.
Точное картирование характеристик чёрных дыр позволяет учёным изучать процессы в недрах звёзд. Новые данные накладывают фундаментальные физические ограничения на сечения важнейших термоядерных реакций в массивных светилах, в частности на реакцию превращения углерода-12 и гелия в кислород-16.
