Учёные нашли сборочный цех тяжёлых чёрных дыр в шаровых скоплениях
Самые тяжёлые чёрные дыры звёздной массы, похоже, не рождаются напрямую после смерти одной звезды. Исследователи разобрали 153 слияния из каталога LIGO-Virgo-KAGRA и пришли к выводу: объекты тяжелее примерно 45 масс Солнца чаще собираются поэтапно, через повторные столкновения уже существующих чёрных дыр в плотных шаровых скоплениях.
Для астрофизики это неприятно удобный ответ. Он одновременно поддерживает идею так называемого «провала масс», где часть очень массивных звёзд вообще не должна оставлять после себя чёрную дыру, и объясняет, откуда тогда берутся тяжёлые объекты, которые детекторы всё равно видят в гравитационных волнах. Подробности команда изложила в статье на arXiv, а сами события взяты из каталога GWTC-4.
Провал масс у чёрных дыр и граница в 45 масс Солнца
Здесь упираемся в старую проблему теории. Модели парной неустойчивости предсказывают диапазон масс, в котором ядро очень массивной звезды разрушается настолько эффективно, что чёрная дыра обычного звёздного происхождения просто не появляется. Нижнюю границу этого окна авторы работы привязывают примерно к 45 массам Солнца.
Именно поэтому тяжёлые объекты из каталогов LIGO давно раздражают теоретиков. Первый громкий сигнал такого типа появился ещё в 2019 году с событием GW190521, где масса итогового объекта ушла далеко за привычный диапазон для «обычных» остатков звёзд. С тех пор стало ясно, что единичным курьёзом дело не ограничилось.
Как шаровые скопления выращивают массивные чёрные дыры
Логика у нового сценария простая и довольно жестокая. В шаровом скоплении звёзды и компактные остатки сидят слишком близко друг к другу по космическим меркам, поэтому встречи там происходят чаще. Чёрная дыра после одного слияния становится тяжелее, а значит получает больше шансов снова оказаться в центре этой гравитационной толкотни.
Авторы разделили выборку на две группы. Более лёгкие чёрные дыры хорошо укладываются в сценарий прямого рождения после коллапса массивной звезды. Более тяжёлые отличаются характером вращения: они быстрее вращаются, а ориентация спина выглядит случайной, что как раз ожидается после серии хаотичных слияний в плотной среде.
Наблюдения LIGO, Virgo и KAGRA
Сейчас у гравитационно-волновой астрономии уже достаточно статистики, чтобы спорить не об отдельных красивых сигналах, а о популяции целиком. После первого обнаружения гравитационных волн в 2015 году число подтверждённых событий перевалило за сотню, и четвёртый каталог стал первым набором данных, где такие выводы вообще можно делать без гадания на одном кейсе.
- проанализировано 153 слияния чёрных дыр;
- рубеж для «тяжёлой» группы проходит около 45 масс Солнца;
- главный маркер повторных слияний — высокий спин и случайная ориентация вращения.
Это ещё и хороший аргумент в пользу будущих обсерваторий вроде Einstein Telescope и Cosmic Explorer. Чем больше чувствительность детекторов на низких частотах, тем лучше они будут ловить редкие массивные системы и отделять нормальную астрофизику от экзотики вроде первичных чёрных дыр, которые любят всплывать всякий раз, когда наблюдения становятся неудобными для старых моделей.
Следующий крупный цикл наблюдений LVK должен добавить сотни новых событий после 2027 года.
