Учёные выяснили что многие чёрные дыры могли появиться после предыдущих слияний

Физики из Массачусетского технологического института пришли к выводу, что значительная часть чёрных дыр во Вселенной могла возникнуть не непосредственно после гибели звёзд, а в результате предыдущих слияний других чёрных дыр. Анализ данных гравитационно-волновых обсерваторий показал, что около 14% наблюдаемых сегодня сливающихся чёрных дыр могут относиться ко второму поколению подобных объектов.

Традиционная теория предполагает, что чёрная дыра образуется после смерти массивной звезды. Когда такая звезда завершает свою жизнь, она взрывается как сверхновая, сбрасывая внешние оболочки, а её ядро под действием собственной гравитации сжимается до чрезвычайно плотного состояния, превращаясь в чёрную дыру.

Однако современные наблюдения показали, что этот сценарий не является единственным. Если две чёрные дыры сталкиваются и сливаются, они образуют новую, более массивную чёрную дыру, которая впоследствии также может столкнуться с другой чёрной дырой. Такой процесс получил название иерархического слияния.

Авторы нового исследования проанализировали данные, собранные гравитационно-волновыми обсерваториями LIGO, Virgo и KAGRA. В общей сложности специалисты изучили информацию о 155 парах сливающихся чёрных дыр, зарегистрированных в каталоге GWTC-4.0, включающем события четвёртого этапа наблюдений.

Результаты исследования свидетельствуют о том, что повторные слияния являются важным механизмом формирования чёрных дыр. По словам ведущего автора работы, аспирантки кафедры физики MIT Кейлин Планкетт, теперь становится ясно, что для некоторых чёрных дыр наблюдаемое столкновение было далеко не первым.

Исследователи отмечают, что ранее вопрос о том, насколько часто чёрные дыры участвуют в повторных слияниях, оставался практически открытым. Теперь анализ большого массива наблюдений позволил получить достаточно устойчивую статистическую картину, согласно которой подобный сценарий встречается значительно чаще, чем предполагалось.

Одним из ключевых признаков чёрной дыры второго поколения является её очень высокая скорость вращения. Если чёрная дыра рождается после коллапса массивной звезды, она должна обладать сравнительно небольшим собственным вращением, поскольку во время взрыва сверхновой звезда теряет значительную часть массы и углового момента.

Совершенно иначе обстоит дело после столкновения двух чёрных дыр. Согласно расчётам учёных, образовавшийся объект должен вращаться примерно с 70% максимально возможной скорости, что делает его заметно отличимым от чёрной дыры звёздного происхождения.

По мнению исследователей, подобные повторные слияния чаще всего происходят в чрезвычайно плотных звёздных скоплениях. В таких областях большое количество массивных звёзд располагается очень близко друг к другу. После своей гибели они превращаются в чёрные дыры, которые продолжают двигаться внутри скопления, постепенно захватывают друг друга и объединяются. Этот процесс способен повторяться многократно.

Одним из наиболее надёжных признаков иерархического происхождения считается пара, в которой одна чёрная дыра значительно тяжелее и вращается гораздо быстрее своей спутницы. Такая асимметрия указывает на то, что один из объектов, вероятнее всего, уже образовался в результате предыдущего слияния.

В 2024 году учёные уже зарегистрировали два подобных события — GW241011 и GW241110. Их удалось обнаружить благодаря анализу гравитационных волн — чрезвычайно слабых колебаний пространства-времени, возникающих при столкновениях массивных космических объектов.

Именно эти открытия подтолкнули исследователей к более масштабному анализу всех имеющихся наблюдений. Вместо изучения каждого события отдельно команда разработала модель, позволяющую искать общие признаки повторных слияний сразу во всём каталоге.

Особое внимание учёные уделили так называемой прецессии орбит. Перед столкновением две чёрные дыры вращаются вокруг общего центра масс. Если их собственное вращение направлено под определённым углом, плоскость орбиты начинает совершать характерные колебания. По особенностям этих «покачиваний» можно определить массу объектов и скорость их вращения, а значит — оценить вероятность того, что один из них уже является чёрной дырой второго поколения.

Применив разработанную модель ко всему каталогу наблюдений, исследователи обнаружили, что примерно 14% зарегистрированных слияний соответствуют сценарию столкновения чёрной дыры первого поколения с чёрной дырой, уже возникшей после предыдущего слияния.

Кроме того, анализ показал интересную закономерность в распределении масс. Обычные чёрные дыры звёздного происхождения чаще всего имеют массу около 10 или 30 масс Солнца. В то же время чёрные дыры второго поколения обычно обладают массой примерно 20 солнечных масс либо превышают 40 солнечных масс.

Особый интерес представляет группа объектов с массой более 40 масс Солнца. Согласно современной теории эволюции звёзд, столь массивные чёрные дыры практически не должны образовываться непосредственно после взрыва сверхновых, поскольку самые тяжёлые звёзды разрушаются настолько мощно, что вообще не оставляют после себя чёрных дыр массой примерно выше 45 солнечных масс.

Тем не менее такие объекты уже неоднократно наблюдались. По мнению авторов исследования, наиболее вероятным объяснением их существования является именно многократное слияние более мелких чёрных дыр. Новые результаты существенно укрепляют гипотезу о том, что повторные столкновения играют важную роль в эволюции чёрных дыр и способны объяснить происхождение наиболее массивных объектов, обнаруженных современными гравитационно-волновыми обсерваториями.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.