Ученые выявили разные популяции сливающихся черных дыр

Сливающиеся черные дыры могут относиться к нескольким отдельным популяциям, сформировавшимся в результате разных астрофизических процессов. Об этом 12 июля сообщил журнал Phys.org.

После первого прямого обнаружения гравитационных волн в 2015 году обсерватории LIGO, Virgo и KAGRA зарегистрировали сотни сигналов от слияний компактных объектов. Однако вопрос о том, как образуются двойные системы черных дыр, остается открытым.

Один из возможных сценариев предполагает, что две массивные звезды формируются и эволюционируют вместе, а после их гибели образуется двойная система черных дыр. Другой вариант связан с плотными звездными скоплениями, где уже сформировавшиеся черные дыры могут сближаться и образовывать пары в результате случайных гравитационных взаимодействий.

Информация о массе и вращении объектов содержится в форме гравитационной волны, возникающей при их сближении и слиянии. Разные механизмы формирования могут оставлять в этих параметрах характерные признаки.

Первая группа под руководством исследователя Массачусетского технологического института Кейлин Планкетт разработала модель, основанную на двух параметрах вращения. Они показывают скорость вращения черных дыр и направление их осей по отношению к орбитальному движению системы.

Вторая команда во главе с исследователем Университета Монаша Шараном Банаджири использовала более гибкий статистический подход. Ученые позволили данным самостоятельно определить количество возможных групп, не задавая заранее конкретные сценарии происхождения. Несмотря на различия в методах, обе группы обнаружили отдельную популяцию особенно массивных черных дыр. Масса каждого основного объекта в таких системах составляла около 40 масс Солнца или больше.

Команда Планкетт установила, что массивные черные дыры вращались быстро, а направления их осей были распределены случайным образом. Такая картина соответствует сценарию иерархических слияний, при котором некоторые черные дыры уже образовались в результате более ранних столкновений, а затем вошли в состав новой двойной системы.

Группа Банаджири выявила похожую границу по массе и также обнаружила высокие скорости вращения. Однако в этом анализе направление спина не дало столь однозначных признаков повторного слияния, поэтому авторы призвали осторожно интерпретировать результаты.

Полученные данные считаются одним из наиболее убедительных свидетельств существования черных дыр второго поколения. Такие объекты могли сформироваться не непосредственно после коллапса массивной звезды, а в результате объединения двух более легких черных дыр.

Этот механизм может объяснить появление объектов в диапазоне масс, который трудно получить при обычной звездной эволюции. В некоторых моделях часть особенно массивных звезд разрушается полностью и не оставляет после себя черной дыры определенной массы. Повторные слияния позволяют обойти это ограничение.

Изучение иерархических слияний также может помочь понять, как росли зародыши сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. По мере повышения чувствительности гравитационно-волновых детекторов ученые смогут точнее определить границы между разными популяциями и проверить предложенные сценарии.