Самые массивные черные дыры образуются в активных звездных скоплениях после серии бурных слияний, показало исследование

Международная группа исследователей утверждает, что самые массивные черные дыры Вселенной образовались не непосредственно в результате коллапса звезд, а в результате серии повторяющихся и чрезвычайно мощных столкновений в очень густонаселенных звездных скоплениях.

Об этом рассказывают в Кардиффском университете, передают OstanniPodii.com.

В своем исследовании ученые проанализировали версию 4.0 Каталога транзиентных гравитационных волн (GWTC4) LIGO–Virgo–KAGRA, содержащего 153 достаточно достоверных обнаружения слияний черных дыр.

Команда хотела проверить гипотезу, что самые тяжелые черные дыры в GWTC-4 являются объектами второго поколения, образовавшимися в результате слияния предыдущих черных дыр, а затем повторного слияния в плотных ядрах звездных скоплений, где звезды могут быть упакованы в миллион раз плотнее, чем в окрестностях Солнца.

В их результатах, опубликованных в журнале Nature Astronomy, описано исследование происхождения самых тяжелых черных дыр, обнаруженных с помощью гравитационных волн, и выявлены две отдельные популяции.

На основе данных о гравитационных волнах команда обнаружила:

• группу объектов с меньшей массой, что соответствует обычному коллапсу звезд;
• группу объектов с большей массой, вращение которых полностью совпадает с прогнозами относительно иерархических слияний в плотных звездных скоплениях.

«Больше всего нас удивило то, насколько четко черные дыры с большой массой выделяются как отдельная группа», — вспоминает соавтор исследования доктор Изобель Ромеро-Шоу, стипендиатка программы имени Эрнеста Резерфорда в Кардиффском университете.

«В отличие от систем с меньшей массой, которые мы анализировали и которые, как правило, вращались медленно, системы с большей массой соответствуют более быстрому вращению, ориентированному в, казалось бы, случайных направлениях. Это именно тот признак, которого можно было бы ожидать, если бы черные дыры неоднократно сливаются в плотных звездных скоплениях. Это делает происхождение из скоплений гораздо более убедительным, чем это было в предыдущих каталогах».

Исследование также предоставляет наиболее убедительные на сегодняшний день доказательства существования так называемого «массового разрыва», при котором чрезвычайно массивные звезды преимущественно катастрофически взрываются, а не коллапсируют в черные дыры.

Эта давно предсказанная теория описывает запрещенный диапазон масс для черных дыр, образованных непосредственно из звезд, где очень массивные звезды, как ожидается, разрушаются, прежде чем коллапсировать с образованием черной дыры.

Команда точно определяет этот диапазон в популяции черных дыр звездного происхождения, масса которых в 45 раз превышает массу Солнца и выше.

Ведущий автор д-р Фабио Антонини сказал: «В нашем исследовании мы нашли доказательства давно предсказанного массового разрыва нестабильности пар — диапазона масс, в котором, как ожидается, звезды вообще не оставляют после себя черных дыр. Детекторы гравитационных волн успешно обнаружили черные дыры, которые, как представляется, находятся в этом разрыве или вблизи него, который мы определяем примерно на уровне 45 солнечных масс.

Итак, главный вопрос сейчас заключается в том, указывают ли эти черные дыры на то, что наши модели эволюции звезд ошибочны, или они образуются иным образом?

Самые большие черные дыры в текущей выборке, похоже, свидетельствуют о динамике скоплений, а не только об эволюции звезд.

Выше примерно 45 солнечных масс распределение спина (статистический анализ того, как быстро вращаются черные дыры во Вселенной, — ред.) меняется таким образом, что это трудно объяснить только обычными звездными двойными системами, но это естественно объясняется, если эти черные дыры уже прошли предыдущие слияния в плотных скоплениях».

Команда также использовала этот переход, чтобы пролить свет на важную ядерную реакцию, связанную со сжиганием гелия внутри массивных звезд.

«В будущем данные о гравитационных волнах могут помочь ученым изучать ядерную физику, поскольку предел массы, установленный нестабильностью пар, зависит от ядерных реакций, происходящих в ядрах массивных звезд», — добавила соавтор исследования доктор Фани Досопулу из Кардиффского университета.

• Черные дыры