Откуда берутся черные дыры? Гравитационные волны подтверждают роль спина в их формировании

Гравитационно-волновая астрономия поставила перед учеными парадокс: теоретически предсказанный «провал масс» черных дыр (диапазон от 40 до 130 солнечных масс, где их образование должно быть подавлено) не наблюдается в данных регистрации слияний. Новое исследование, опубликованное в Physical Review Letters, предлагает элегантное объяснение: «провал» заполняется за счет иерархических слияний в плотных звездных скоплениях, и ключом к разгадке стали спиновые характеристики этих объектов.

Спин как отпечаток происхождения

В отличие от одиночных черных дыр, рождающихся при коллапсе массивных звезд, объекты, образовавшиеся в результате повторных слияний в скоплениях, обладают уникальным «почерком» — случайным распределением осей вращения. Анализируя данные обсерваторий LIGO и Virgo, астрофизики изучили два ключевых параметра: эффективный спин (χeff), показывающий суммарное вращение пары, и спин прецессии (χp), описывающий изменение ориентации осей.

Математика космического танца

Расчеты показали, что для черных дыр массой до 44 солнечных масс распределение χeff соответствует узкому гауссову профилю — признак «одиночного» происхождения. Однако для более массивных объектов картина кардинально меняется: распределение становится широким и равномерным, что указывает на хаотичную, изотропную ориентацию спинов. Именно этого эффекта физики ожидали от популяции, прошедшей через множественные слияния в гравитационных «котлах» скоплений.

Количественная оценка явления

Моделирование позволило установить, что около 1% всех регистрируемых слияний черных дыр относятся к иерархическому типу. Экстраполяция этих данных на всю Вселенную дает поразительный вывод: примерно 20% всех черных дыр могли сформироваться не в одиночку, а в результате повторных столкновений в звездных скоплениях. Измерение спина прецессии (χp) остается более сложной задачей, но первые результаты также согласуются с теоретическими предсказаниями.

Долгое время астрофизики не могли объяснить, почему наблюдения не подтверждают теоретический «запрет» на массы черных дыр в диапазоне 40-130 M⊙, связанный с процессами парной нестабильности в ядрах звезд. Новые данные не только снимают это противоречие, но и радикально меняют представление о роли звездных скоплений как «инкубаторов» черных дыр. Будущие наблюдения с помощью LIGO, Virgo, KAGRA и космических обсерваторий позволят уточнить эти оценки и, возможно, обнаружить новые, еще более массивные черные дыры, скрывающиеся в «запретной» зоне.