Основной теорией образования массивных (и сверхмассивных) черных дыр является иерархическая связь — концепция, согласно которой массивные черные дыры возникают в результате серии столкновений между более легкими черными дырами. Плотно упакованные среды, такие как шаровые скопления и ядерные звездные скопления в центрах галактик, должны быть основными местами для слияния черных дыр, но «удары» гравитационных волн могут мешать.
Когда черные дыры соединяются, они излучают гравитационные волны, передающие энергию и импульс. Эти волны не излучаются равномерно во всех направлениях, поэтому акт слияния вызывает «пинок» продукта синтеза. Это далеко не легкий толчок — типичные скорости ударов исчисляются сотнями или тысячами км/с. Если черная дыра получает достаточно сильный толчок, она может покинуть плотное скопление, в котором она сформировалась, и отправиться в разреженное пространство, где вероятность дальнейшего слияния гораздо ниже. Насколько типичным для черных дыр является выброс из зарождающихся звездных скоплений и что это означает для теории иерархического слияния?
Современные детекторы гравитационных волн недостаточно чувствительны, чтобы напрямую обнаружить выброс черной дыры, но мы можем определить скорость выброса по наблюдаемым гравитационным волнам. Группа под руководством Партапратима Махапатры (Математический институт Ченнаи, Индия) применила математические модели к данным о 47 слияниях черных дыр, обнаруженных детекторами LIGO и Virgo , чтобы исследовать вероятность выброса черных дыр из различных типов звездных скоплений. Авторы исследования оценили скорость выброса каждой из них, которая зависит от соотношения масс соединяющихся черных дыр, скорости их вращения и других факторов.
Махапатра и соавторы использовали свои оценки, чтобы определить вероятность того, что слияние останется в скоплении, в котором оно образовалось, в зависимости от скорости выхода скопления, и нашли широкий диапазон вероятностей остановки. Авторы уделяют пристальное внимание шести случаям в каталоге, которые демонстрируют признаки того, что они являются продуктами предыдущего иерархического слияния, например, GW190521 — самое массивное слияние черных дыр, обнаруженное на сегодняшний день. Они подсчитали, что соединение типа GW190521 будет иметь 50% шанс остаться связанным со звездным скоплением со скоростью убегания 700 км/с. Поскольку эта скорость убегания находится в пределах ожидаемого диапазона для ядерных звездных скоплений, это означает, что если GW190521 поместить в такую плотную среду, ее массивный продукт может снова соединиться в будущем.
В конечном счете ясно, что некоторые звездные скопления лучше улавливают черные дыры после слияния черных дыр, чем другие. Учитывая их низкую скорость убегания, шаровые скопления вряд ли будут местом повторного слияния черных дыр; по оценкам авторов, из 40 каталогизированных слияний с лучшими данными 17 будут сохранены ядерными звездными скоплениями и только 2 - шаровыми скоплениями. Не зная больше о среде, в которой произошли эти слияния, нельзя сказать, вырвется ли отдельный продукт синтеза из своего окружения, но выводы авторов имеют важные последствия для того, где вообще могут происходить иерархические слияния.