Ученые: 14% черных дыр образуются при слиянии других черных дыр
Астрофизики установили, что значительная часть черных дыр во Вселенной возникает не при коллапсе звезд, а в результате иерархических слияний. Согласно исследованию, опубликованному в Physical Review Letters, около 14% всех зафиксированных сливающихся черных дыр относятся ко второму поколению.
В ходе работы ученые проанализировали данные о 155 парах двойных черных дыр, зарегистрированных гравитационными обсерваториями LIGO (США), Virgo (Италия) и KAGRA (Япония). Они также использовали архивные каталоги. Главный вывод: существует четкая граница массы, выше которой механизмы образования из звезд не работают.
Исследователи определили, что при массе первичного компонента более 46,2 массы Солнца популяция черных дыр почти полностью состоит из продуктов повторных слияний. Этот порог совпадает с началом так называемого разрыва масс, вызванного парно-нестабильными сверхновыми, при которых ядро звезды полностью разрушается, не оставляя компактного объекта.
Кроме сверхмассивных объектов, авторы обнаружили неожиданный пик доли черных дыр второго поколения в области низких масс — около 15,7 масс Солнца. В этой точке доля повторно образовавшихся объектов составляет не менее 5%. Причину двух разных групп связывают с металличностью звездного окружения.
Чтобы отличить черные дыры первого поколения от последующих, ученые разработали математическую модель. Она анализирует скорость и направление вращения черных дыр при сближении, а также колебания орбитальной плоскости (прецессию). Характерный признак иерархического слияния — асимметрия: один компонент заметно массивнее и быстрее вращается.
Согласно исследованию, подобные «циклы перерождения» черных дыр происходят в плотных звездных скоплениях, где множество массивных звезд гибнут и образуют черные дыры, которые затем гравитационно объединяются. Теоретически процесс может повторяться многократно, формируя все более тяжелые объекты.
Учет второй популяции важен для точности астрофизических моделей. Авторы показали, что игнорирование иерархических слияний приводит к искусственному завышению ширины распределения спинов обычных черных дыр почти в два раза. Обнаруженная доля в 14% согласуется с теоретическими расчетами динамического моделирования звездных кластеров.
