Существует три известных типа чёрных дыр: сверхмассивные чёрные дыры, которые находятся в центре галактик, чёрные дыры звёздной массы, образовавшиеся из звёзд, которые взорвались как сверхновые, и чёрные дыры промежуточной массы, масса которых находится между двумя крайними значениями. Обычно считается, что чёрные дыры промежуточной массы образуются в результате слияния чёрных дыр звёздной массы. Если это так, то между звёздной и промежуточной массами должен существовать запретный диапазон. Диапазон, в котором масса слишком велика, чтобы образоваться из звезды, но слишком мала, чтобы образоваться в результате слияния. Но новое исследование данных LIGO позволяет предположить, что в этом запрещённом диапазоне есть чёрные дыры.
Только крупные звёзды могут стать сверхновыми. Согласно имеющимся у нас моделям, самые маленькие сверхновые образуются из звёзд массой около 10 масс Солнца. При коллапсе их ядер, скорее всего, образуются нейтронные звёзды, а не чёрные дыры. Согласно наблюдениям, самые лёгкие чёрные дыры имеют массу около 3–4 масс Солнца и образуются из звёзд массой около 20 масс Солнца. Сверхновые образуются только из звёзд массой до 50 масс Солнца. При превышении этой массы звезда почти сразу же коллапсирует в чёрную дыру. Гравитация настолько сильна, что звезда не может произвести яркий взрыв.
Но затем звёзды массой около 150 солнечных масс взрываются как гиперновые. Они также известны как сверхновые с парной нестабильностью. При коллапсе их ядер высвобождается так много энергии, что гамма-излучение высокой энергии, которое они производят, генерирует электрон-позитронные пары. Излишне говорить, что гиперновые гораздо более разрушительны, чем обычные сверхновые, а это значит, что гораздо меньшая часть центральной массы коллапсирует в чёрную дыру. Самые первые звёзды, вероятно, были огромными чудовищами с массой более 300 Солнц, и они породили бы чёрные дыры массой более 120 Солнц.
Все это означает, что сверхновые звездной массы породили бы черные дыры в диапазоне масс 4-50 солнечных, а крупнейшие гиперновые звезды породили бы черные дыры массой более 120 масс Солнца, плюс-минус. Черные дыры звездной массы не должны быть возможны в диапазоне 50-120 масс Солнца. Если мы находим черные дыры в этом диапазоне, то, насколько мы понимаем, они, должно быть, образовались в результате слияния черных дыр меньшего размера.
И вот тут начинается самое интересное. Чёрным дырам требуется много времени, чтобы вращаться вокруг друг друга и сливаться, особенно если они маленькие. Хотя вполне вероятно, что в результате слияния образовались чёрные дыры в этом исключённом диапазоне, маловероятно, что они испытают второе слияние в течение жизни Вселенной. Другими словами, когда гравитационные телескопы, такие как LIGO, обнаруживают слияние чёрных дыр, крайне маловероятно, что одна из исходных чёрных дыр будет находиться в исключённом диапазоне масс. Обнаружение таких «лёгких» слияний может свидетельствовать о том, что в образовании чёрных дыр есть что-то, чего мы не понимаем.
Именно здесь на помощь приходит новое исследование. Авторы изучили слияния чёрных дыр, обнаруженные в ходе третьего запуска обсерваторий гравитационных волн LIGO-Virgo, и провели статистический анализ вероятных масс исходных чёрных дыр. Одна из проблем гравитационно-волновой астрономии заключается в том, что слияния, которые мы наблюдаем, находятся на самом пределе обнаружения. Чтобы выделить сигнал из шума, астрономам приходится проводить моделирование, чтобы понять, что лучше всего подходит. Результаты немного размыты, а значит, наши измерения массы чёрных дыр немного неточны.
Команда сосредоточилась на 11 событиях обнаружения и обнаружила, что в 5 из этих слияний вероятность того, что одна из исходных чёрных дыр имела массу от 50 до 120 солнечных масс, составляла более 75%. Есть некоторые проблемы с шумом в данных, которые могут исказить статистику, но данные всё равно подтверждают существование чёрных дыр в исключённом диапазоне. Возможно, они образовались в результате более ранних слияний чёрных дыр, но это маловероятно.
Так что же происходит? Как образовались эти «лёгкие» чёрные дыры промежуточной массы? Это загадка, для разгадки которой потребуется больше наблюдений.