Столкновения черных дыр рассказывают историю повторяющихся слияний

Фото из открытых источников

Слияние черных дыр — одно из самых энергетически мощных, массивных и необычных событий во Вселенной. Во время такого столкновения две черные дыры вращаются все ближе и ближе друг к другу, пока не столкнутся и не образуют гораздо более массивную черную дыру. В результате этого события могут испускаться нейтрино, фотоны от энергетически насыщенных газов и, как это часто бывает, гравитационные волны. Эти волны помогают рассказать историю двух объектов, участвовавших в столкновении.

Недавние исследования гравитационных волн показывают сотни подобных слияний во Вселенной. Многие из них, вероятно, произошли в результате столкновений черных дыр, образовавшихся при гибели массивных звезд в результате взрывов сверхновых. Это стандартная история, которую мы все знаем о гибели сверхмассивных звезд — образовании звездных черных дыр. Но что с ними происходит потом? Эти «меньшие» черные дыры могут снова слиться, образуя более массивную черную дыру. И это может повториться, создавая более крупные и массивные объекты в процессе, называемом «иерархическим слиянием». Скорее всего, это происходит в очень густонаселенных областях галактик.

Группа ученых, в которую входят Сальваторе Витале и Кейлин Планкетт из Массачусетского технологического института, Томас Каллистер из Уильямс-колледжа в Массачусетсе и Майкл Зевин из планетария Адлера в Чикаго, изучает сигналы гравитационных волн, чтобы проверить, является ли этот путь реальным. По словам Планкетта, данные показывают некоторые интригующие результаты. «Мы обнаружили, что для некоторых из этих сливающихся черных дыр это не первый подобный процесс», — сказал Планкетт. «В целом во Вселенной черные дыры сливаются постоянно. Вопрос о том, как часто они это делают, оставался довольно неопределенным. Теперь мы видим относительно устойчивую картину, где значительная часть черных дыр образуется по этому повторяющемуся пути».

Ключи к пониманию происхождения черных дыр при слиянии кроются в их вращении. Представьте себе вращение диска вокруг новообразующейся звезды. Оно обладает угловым моментом. Некоторые черные дыры имеют вращение, другие — нет. Черная дыра, образовавшаяся в результате сверхновой, имеет очень малое или нулевое вращение. Это происходит потому, что когда звезда-прародитель умирает, она теряет большую часть своей массы, а также собственное вращение. В результате черная дыра также не должна иметь большого вращения.

По словам Витале, картина меняется, когда две черные дыры сливаются. Это более энергичное событие, и столкновение должно привести к образованию черной дыры второго поколения с определенным вращением. «Они будут вращаться очень быстро, примерно на 70 процентов от своего максимально возможного вращения», — сказал Витале. Это вращение указывает на происхождение новой черной дыры от двух меньших. Таким образом, астрономы могут начать поиск пары черных дыр, готовящихся к столкновению. Если одна из них имеет очень высокую скорость вращения, чем ее партнер, то наблюдатели видят пару, где одна черная дыра образовалась в результате столкновения двух меньших черных дыр.

Черные дыры звездной массы могут образовываться везде, где сверхмассивные звезды погибают в результате взрывов сверхновых. Но иерархические слияния, скорее всего, происходят в очень плотных средах. Это области, где звезды расположены очень близко друг к другу — например, в скоплениях. «У вас может быть множество звезд, вращающихся друг вокруг друга, и если некоторые из них массивны и взрываются, они превращаются в черные дыры. Черные дыры продолжают вращаться, захватывая друг друга и сливаясь», — объяснил Планкетт. «Этот процесс может повторяться потенциально до бесконечности, благодаря тому, что в этой очень плотной среде находится множество звезд и черных дыр».

Чтобы найти доказательства иерархических слияний, команда изучила данные из Каталога гравитационно-волновых переходных явлений LIGO-Virgo-KAGRA (GWTC-4.0). Это набор данных, отслеживающих обнаружение гравитационных волн, сделанное во время четвертого сеанса наблюдений объединенных обсерваторий. Они искали сигналы, типичные для иерархических слияний черных дыр. В частности, команда хотела зафиксировать процесс непосредственно перед слиянием. Это интересный момент. Черные дыры движутся по спирали друг к другу в дискообразной орбитальной плоскости. Если их спины перпендикулярны плоскости, процесс слияния достаточно стабилен. Но если спины не перпендикулярны, диск начинает заметно колебаться. Это колебание раскрывает информацию о балансе масс двух черных дыр и их спинов.

Анализ данных выявил многочисленные слияния, демонстрирующие колебания орбит, которые, вероятно, были вызваны столкновениями черных дыр первого и второго поколений. Если экстраполировать это на слияния во всей Вселенной, то окажется, что около 14 процентов сливающихся черных дыр прошли один и тот же путь столкновения как минимум дважды. Выяснилось, что черные дыры с массами примерно в 10 и 30 раз превышающими массу Солнца, вероятно, являются черными дырами звездной массы, образовавшимися в результате взрывов сверхновых. Интересно, что черные дыры массой 20 и 40 солнечных масс (и выше) с наибольшей вероятностью являются черными дырами второго поколения, образовавшимися в результате столкновений предыдущих черных дыр.

Как это соотносится с эволюционной историей сверхмассивных звезд, из которых образуются черные дыры? Планкетт отмечает, что сила взрывов сверхновых может играть определенную роль. «Одна из причин, почему интересен диапазон масс 40 и выше, заключается в том, что теория звездной эволюции предсказывает, что черные дыры в этом диапазоне масс вообще не должны образовываться из одной лишь сверхновой», — сказал Планкетт. «Мы считаем, что сверхновые от действительно массивных звезд в конечном итоге оказываются настолько мощными, что не оставляют черных дыр вообще выше примерно 45 солнечных масс. Тем не менее, мы видели черные дыры такой массы. И вопрос в том: откуда они взялись?»

Это вопрос, на который еще предстоит ответить. Между тем, это иерархическое слияние черных дыр с течением времени вполне может объяснить некоторые из самых странных черных дыр, обнаруженных астрономами. Связывание спектра масс черных дыр с особенностями распределения спинов — хороший способ определить историю потенциальных кандидатов на слияние, а также понять характеристики существующих черных дыр, демонстрирующих странные вращения. В долгосрочной перспективе изучение этих характеристик поможет астрономам рассказать историю эволюции черных дыр во Вселенной.