Наймасивніші чорні діри утворюються в активних зоряних скупченнях після серії бурхливих злиттів, показало дослідження

Міжнародна група дослідників стверджує, що наймасивніші чорні діри Всесвіту не утворилися безпосередньо в результаті колапсу зірок; натомість — у результаті серії повторюваних і надзвичайно потужних зіткнень у дуже густонаселених зоряних скупченнях.

Про це розповідають в Кардіффському університеті, передають OstanniPodii.com.

У своєму дослідженні вчені проаналізували версію 4.0 Каталогу транзієнтних гравітаційних хвиль (GWTC4) LIGO–Virgo–KAGRA, що містить 153 достатньо правдивих виявлень злиттів чорних дір.

Команда прагнула перевірити гіпотезу, що найважчі чорні діри в GWTC-4 є об’єктами другого покоління, які утворилися в результаті злиття попередніх чорних дір, а потім повторного злиття в щільних ядрах зоряних скупчень, де зорі можуть бути упаковані в мільйон разів щільніше, ніж в околицях Сонця.

В їхніх результатах, опублікованих в журналі Nature Astronomy, описано дослідження походження найважчих чорних дір, виявлених за допомогою гравітаційних хвиль, і розкриваються дві окремі популяції.

На основі даних про гравітаційні хвилі команда виявила:

• групу об’єктів з меншою масою, що відповідає звичайному колапсу зірок;
• групу об’єктів з більшою масою, обертання яких повністю збігається з прогнозами щодо ієрархічних злиттів в щільних зоряних скупченнях.

«Найбільше нас здивувало те, наскільки чітко чорні діри з великою масою виділяються як окрема група», — згадує співавторка дослідження докторка Ізобель Ромеро-Шоу, стипендіатка програми імені Ернеста Резерфорда в Кардіффському університеті.

«На відміну від систем з меншою масою, які ми аналізували та які, як правило, оберталися повільно, системи з більшою масою відповідають більш швидкому обертанню, орієнтованому у, здавалося б, випадкових напрямках. Це саме та ознака, якої можна було б очікувати, якби чорні діри неодноразово зливалися у щільних зоряних скупченнях. Це робить походження зі скупчень набагато переконливішим, ніж це було у попередніх каталогах».

Дослідження також надає найпереконливіші на сьогодні докази існування так званої «масового розриву», в якому надзвичайно масивні зорі переважно катастрофічно вибухають, а не колапсують у чорні діри.

Ця давно передбачена теорія описує заборонений діапазон мас для чорних дір, утворених безпосередньо із зірок, де дуже масивні зорі, як очікується, руйнуються, перш ніж колапсують з утворенням чорної діри.

Команда точно визначає цей діапазон у популяції чорних дір зоряного походження, маса яких у 45 разів перевищує масу Сонця та вище.

Провідний автор д-р Фабіо Антоніні сказав: «У нашому дослідженні ми знайшли докази давно передбаченої масового розриву нестабільності пар — діапазону мас, у якому, як очікується, зорі взагалі не залишають після себе чорних дір. Детектори гравітаційних хвиль успішно виявили чорні діри, які, як видається, знаходяться в цьому розриві або поблизу нього, який ми визначаємо приблизно на рівні 45 сонячних мас.

Отже, головне питання зараз полягає в тому, чи ці чорні діри вказують на те, що наші моделі еволюції зірок є хибними, чи вони утворюються іншим чином?

Найбільші чорні діри в поточній вибірці, схоже, свідчать про динаміку скупчень, а не лише про еволюцію зірок.

Вище приблизно 45 сонячних мас розподіл спіну (статистичний аналіз того, як швидко обертаються чорні діри у Всесвіті, - ред.) змінюється таким чином, що це важко пояснити лише звичайними зоряними подвійними системами, але це природно пояснюється, якщо ці чорні діри вже пройшли попередні злиття в щільних скупченнях».

Команда також використала цей перехід, щоб пролити світло на важливу ядерну реакцію, пов’язану зі спалюванням гелію всередині масивних зірок.

«У майбутньому дані про гравітаційні хвилі можуть допомогти вченим вивчати ядерну фізику, оскільки межа маси, встановлена нестабільністю пар, залежить від ядерних реакцій, що відбуваються в ядрах масивних зірок», — додала співавторка дослідження докторка Фані Досопулу, з Кардіффського університету.

• Чорні діри