В последние годы обсерватории по поиску гравитационных волн обнаружили во Вселенной такие чёрные дыры, массы которых значительно превышают теоретические, которые должны возникнуть в результате звёздной эволюции. Новое исследование показывает, что крупнейшие из этих объектов, вероятно, возникли не напрямую после коллапса звёзд. Их происхождение связано с цепочкой повторяющихся и крайне мощных столкновений в плотных звёздных скоплениях.
Изучение происхождения чёрных дыр с помощью гравитационных волн
Международная группа исследователей под руководством ученых из Кардиффского университета проанализировала четвёртую версию каталога событий возникновения гравитационных волн от обсерваторий LIGO–Virgo–KAGRA под названием GWTC-4. (Подробнее об этом каталоге можно узнать по ссылке). В него вошли 153 достоверно подтвержденных сигнала слияния чёрных дыр.
Учёные проверяли гипотезу о том, что наиболее массивные объекты из каталога относятся ко второму поколению чёрных дыр. Согласно этой модели, сначала происходят обычные слияния, после чего образовавшиеся более массивные объекты вновь сталкиваются между собой. Такие процессы могут происходить в чрезвычайно плотных ядрах звёздных скоплений, где расстояния между звездами в миллионы раз меньше, чем в окрестностях Солнца.
Результаты работы, опубликованной в Nature Astronomy, позволили исследователям выделить две различные популяции чёрных дыр, наблюдаемых через испускаемые ими гравитационные волны.
По словам руководителя исследования, астрофизика Фабио Антонини, гравитационно-волновая астрономия постепенно превращается из инструмента регистрации отдельных событий в способ изучения роста чёрных дыр и условий их формирования. Это, в свою очередь, помогает проверять современные модели эволюции звёзд и звёздных скоплений.
Две популяции черных дыр
При анализе данных исследователи выделили два типа чёрных дыр. Первый тип - это популяция менее массивных обэектов, происхождение которых хорошо согласуется с обычным коллапсом массивных звёзд. Ко второму типу отнесли более тяжёлые объекты, параметры вращения которых соответствуют сценарию многократных слияний в плотных звёздных скоплениях.
Соавтор исследования Исобель Ромеро-Шоу отмечает, что наиболее неожиданным результатом стало именно чёткое разделение этих групп. Чёрные дыры меньших масс в основном вращаются сравнительно медленно, тогда как массивные объекты демонстрируют более высокие скорости вращения, причём направления их закрутки выглядят совершенно случайными.
Такая картина считается характерным признаком, скажем так, иерархических слияний. Если чёрные дыры многократно сталкиваются в плотной среде, их оси вращения постепенно теряют упорядоченность, а итоговые объекты приобретают большие угловые моменты. По мнению исследователей, новые данные значительно усиливают аргументы в пользу происхождения этих объектов именно в звёздных скоплениях.
Эта работа также дала наиболее убедительные на сегодняшний день свидетельства существования так называемого провала масс - диапазона, в котором чёрные дыры от звёзд практически не должны образовываться.
Согласно этой теории, очень массивные звёзды перед коллапсом могут становиться нестабильными из-за рождения электрон-позитронных пар в их недрах. Этот процесс, известный как парная неустойчивость, способен вызвать катастрофический взрыв, полностью разрушающий звезду и не оставляющий после неё компактного остатка.
Исследователи определили границу этого диапазона примерно на уровне 45 солнечных масс.
Как поясняет Фабио Антонини, детекторы гравитационных волн уже обнаружили объекты, находящиеся внутри этого диапазона или рядом с ним. Это ставит перед астрофизиками важный вопрос о том, действительно ли существующие модели звёздной эволюции неполны, либо такие чёрные дыры возникают иным способом, например, в результате повторных слияний.
Исследование показывает, что для объектов тяжелее примерно 45 масс Солнца распределение скоростей вращения меняется таким образом, который трудно объяснить только одной лишь эволюцией двойных звездных систем. Однако подобная картина естественным образом возникает в моделях, где чёрные дыры уже пережили предыдущие столкновения в плотных звёздных скоплениях.
Связь с ядерной физикой звёзд
Авторы работы также отмечают, что подобные исследования могут оказаться полезными не только для астрофизики, но и для изучения ядерных процессов внутри звёзд.
Во время горения гелия в ядрах массивных обэектов происходят реакции, напрямую влияющие на предел масс, при котором возникает парная неустойчивость. По словам авторов исследования, в будущем данные гравитационно-волновых наблюдений могут помочь учёным уточнить параметры этих реакций и тем самым лучше понять физику внутренних областей массивных звёзд.