Астрофизики связали спины черных дыр с историей массообмена в двойных системах

Гравитационно-волновые обсерватории зарегистрировали уже более 300 слияний двойных черных дыр. Однако вопрос о том, как формируются такие системы, остается открытым. Новое исследование, представленное в архиве препринтов arXiv, предлагает объяснение, основанное на моделировании эволюции изолированных двойных звезд.

Согласно работе, значительная часть таких систем может возникать в изолированных двойных звездах, где орбита сжимается за счет устойчивого переноса массы. В этом случае измеряемый спин черных дыр может помочь отличить данный канал формирования от альтернативных сценариев.

Авторы провели детальное моделирование приливного раскручивания звезд-предшественников черных дыр в двойных системах, проходящих устойчивую стадию массообмена. Они рассчитали приливные моменты, решая уравнения возбужденных приливными силами мод колебаний, и на основе этого предсказали итоговые спины черных дыр.

Выяснилось, что распределение спинов сильно зависит от истории массообмена. Если в системе реализуется только случай A или только случай B массообмена, черные дыры могут приобретать умеренные спины — эффективный параметр спина в диапазоне примерно от 0.1 до 0.3. В случае A после отсоединения система может стать сверхсинхронной, а в случае B донор обычно лишь частично теряет оболочку, оставляя рыхлую оболочку, где возбуждаются сильные приливы.

Если же в истории двойной системы присутствуют и случай A, и случай AB, итоговый спин черных дыр оказывается практически нулевым. Поскольку сценарий массообмена определяется исходным отношением масс и начальным периодом двойной системы, авторы предсказывают обратную корреляцию между спином черной дыры и отношением масс. Это согласуется с пока ограниченными данными наблюдений.

Результаты также позволяют объяснить событие GW190412 — двойную систему черных дыр с умеренным спином и высоким отношением масс. Авторы отмечают, что модель имеет ограничения, а в будущем потребуется учесть дополнительные физические эффекты: нелинейные приливы, случай C массообмена и перенос массы через точку L2.

Статья опубликована в виде препринта в архиве arXiv и еще не прошла независимое рецензирование. Тем не менее, она дает конкретные предсказания, которые можно проверить по мере накопления данных гравитационно-волновых обсерваторий.