Учёные нашли возможное объяснение происхождения крупнейших чёрных дыр Вселенной
Самые массивные чёрные дыры во Вселенной, вероятно, образовались не в результате коллапса сверхмассивных звёзд, а внутри чрезвычайно плотных звёздных скоплений после серии мощных последовательных слияний. К такому выводу пришла международная группа исследователей, проанализировавшая данные гравитационных волн. Учёные обнаружили признаки существования двух различных популяций чёрных дыр: одна состоит из относительно лёгких объектов, возникших после гибели звёзд, а другая включает особенно массивные чёрные дыры, сформированные путём объединения более мелких чёрных дыр.
На протяжении нескольких десятилетий астрофизики предполагали существование так называемого «провала масс» в эволюции звёзд. Согласно этой теории, самые массивные звёзды не превращаются в чёрные дыры после завершения своей жизни. Вместо этого они переживают сверхновую с парной нестабильностью — мощный взрыв, полностью уничтожающий звезду без остатка.
Однако такая модель оставляет открытым вопрос происхождения сверхмассивных чёрных дыр, подобных Стрелец A* в центре Млечного Пути, а также ещё более крупных объектов, находящихся в ядрах других галактик. Одной из главных гипотез считается постепенное увеличение массы за счёт слияний менее массивных чёрных дыр. Эту идею поддерживают наблюдения обсерваторий LIGO, Virgo и KAGRA, которые уже зарегистрировали множество подобных слияний.
Несмотря на накопленные данные, прямых доказательств того, что крупнейшие чёрные дыры действительно рождаются в результате многократных слияний, до сих пор не хватало. В новом исследовании учёные из Кардиффского университета заявили, что получили наиболее убедительные свидетельства существования «провала масс» и механизма формирования массивных чёрных дыр через объединение более мелких объектов.
Руководитель работы Фабио Антонини пояснил, что исследование подтверждает существование диапазона масс, связанного с явлением парной нестабильности. По его словам, существует область масс, в которой звёзды не должны оставлять после себя чёрные дыры. Тем не менее детекторы гравитационных волн зафиксировали объекты, находящиеся внутри или рядом с этим диапазоном. Учёные определили его примерно на уровне 45 солнечных масс.
Исследователи проанализировали 153 события слияния чёрных дыр, включённых в каталог гравитационно-волновых наблюдений LIGO–Virgo–KAGRA GWTC4. Гравитационные волны, впервые предсказанные Альберт Эйнштейн ещё в 1915 году, представляют собой колебания пространства-времени, возникающие во время экстремальных космических процессов, таких как столкновения и слияния чёрных дыр.
Главная цель исследования заключалась в том, чтобы определить происхождение самых тяжёлых чёрных дыр. Учёные проверяли, возникли ли они в результате повторных слияний внутри крайне плотных звёздных систем, плотность которых может превышать плотность окрестностей Солнца в миллион раз. В качестве наиболее вероятных мест формирования рассматривались шаровые скопления.
По словам Антонини, современная астрономия гравитационных волн уже не ограничивается простым подсчётом столкновений чёрных дыр. Теперь она позволяет выяснить, где именно формируются эти объекты, каким образом они растут и что это может рассказать о жизни и гибели массивных звёзд.
Особое внимание исследователей привлекло шаровое скопление M80, расположенное примерно в 28 тысячах световых лет от Земли. В нём находятся сотни тысяч звёзд, связанных гравитацией. В настолько плотной среде многократные слияния чёрных дыр могут происходить особенно эффективно, постепенно увеличивая массу объектов.
Анализ гравитационных волн позволил выделить две отдельные популяции чёрных дыр. Первая группа включает сравнительно лёгкие объекты, масса которых соответствует классическому сценарию коллапса звёзд после сверхновой. Вторая группа состоит из значительно более массивных чёрных дыр, характеристики вращения которых лучше согласуются со сценарием многократных слияний внутри плотных шаровых скоплений.
Соавтор исследования Изобель Ромеро-Шоу отметила, что наиболее удивительным оказалось чёткое разделение массивных чёрных дыр в отдельную популяцию. В отличие от объектов меньшей массы, которые обычно вращаются медленно, более тяжёлые системы демонстрируют высокие скорости вращения и случайную ориентацию осей. Именно такую картину астрофизики ожидали увидеть в случае повторных слияний внутри плотных звёздных скоплений.
Авторы работы считают, что полученные результаты помогут лучше понять не только происхождение самых крупных чёрных дыр, но и процессы гибели чрезвычайно массивных звёзд. Исследование показывает, что после отметки примерно в 45 солнечных масс распределение скоростей вращения чёрных дыр резко меняется, и объяснить это только существованием обычных двойных звёздных систем крайне сложно.
Кроме того, будущие исследования гравитационных волн могут помочь учёным глубже изучить ядерную физику. Как отметил соавтор работы Фани Досопулу, предел массы, связанный с парной нестабильностью, напрямую зависит от ядерных реакций, происходящих в недрах массивных звёзд.
Исследование в журнале Nature Astronomy.