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

Гравитационные волны, эти загадочные колебания пространства-времени, открыли нам новое окно во Вселенную, позволяя заглянуть в самые экстремальные уголки космоса. В частности, слияния черных дыр, которые порождают эти волны, предоставляют ученым уникальную возможность изучать жизнь и эволюцию массивных звезд. Но, как это часто бывает в науке, каждое открытие рождает новые вопросы. Одним из самых интригующих является кажущееся отсутствие разрыва в распределении масс черных дыр, который, по идее, должен был бы существовать из-за процессов нестабильности пар в ядрах массивных звёзд.

Теоретический провал?

Согласно существующим теориям, массивные звёзды при завершении своей эволюции должны образовывать черные дыры определенного диапазона масс. Процессы, связанные с так называемой парной нестабильностью, должны приводить к тому, что черные дыры с массами в диапазоне примерно от 40 до 130 солнечных масс практически не должны образовываться. Этот «запрет» на определенный диапазон масс получил название «провал масс». Однако наблюдения за слияниями черных дыр, выполненные с помощью гравитационных волновых обсерваторий, этого провала не обнаруживают. Возникает закономерный вопрос: куда же подевался «провал»?

Танец слияний

Одна из ведущих гипотез предполагает, что «провал масс» заполняется черными дырами, которые образовались в результате динамических взаимодействий в плотных звездных скоплениях. В этих «космических котлах» более мелкие черные дыры могут сливаться, образуя более массивные, как раз в том самом диапазоне, где, как считалось, их не должно быть. Это «иерархическое слияние» может быть ключом к пониманию этого загадочного несоответствия. Но, что еще более интересно, — этот процесс должен оставлять определенный «отпечаток» на вращении (спине) образующихся черных дыр.

Спин-параметры как индикаторы прошлого

Чтобы проверить эту гипотезу, ученые обратили пристальное внимание на спин-параметры черных дыр, а именно — на эффективный спин (χeff) и спин прецессии (χp). Эффективный спин отражает суммарное вращение двух черных дыр перед слиянием, а спин прецессии описывает, как их оси вращения «танцуют» друг относительно друга. Оказывается, что именно анализ этих параметров может помочь идентифицировать черные дыры, образовавшиеся в результате иерархических слияний.

Для тех, кому интересны детали, скажем, что xeff = (m₁a₁ cosθ₁ + m₂a₂ cosθ₂)/(m₁ + m₂), где m₁ и m₂ - массы черных дыр, а₁ и a₂ - их безразмерные параметры спина, а θ₁ и θ₂ - углы между векторами спина и орбитальным моментом. А вот параметр xp более сложный, он выражается как max {a₁ sin θ₁, [(3 + 4q)/(4 + 3q)]qa₂ sin θ₂}, где q — отношение масс m₂/m₁.

Собственно, для «иерархической» популяции, как ни удивительно, ученые ожидают, что спины черных дыр будут распределены довольно специфическим образом. А именно — что их распределения подчиняются уравнениям, которые позволяют выявить «отпечаток» многократного слияния. Используя гравитационно-волновые данные, собранные обсерваториями LIGO и Virgo, исследователи внимательно изучили распределение этих спин-параметров в зависимости от массы черной дыры.

Результаты: «да», говорят данные!

Анализ показал, что распределение эффективного спина (χeff) действительно меняется с увеличением массы черной дыры. В области масс до примерно 44 солнечных масс (M⊙), распределение χeff соответствует узкому гауссовому распределению. Но вот что происходит дальше — для более массивных черных дыр распределение становится шире и тяготеет к равномерному. Это является убедительным свидетельством в пользу существования популяции черных дыр, образованных в результате иерархических слияний.

Более того, анализ показал, что эта высокомассивная популяция черных дыр вращается в основном изотропно, то есть оси вращения направлены случайным образом. Это также соответствует ожиданиям от иерархических слияний. Ученые даже смогли оценить, что около 1% всех слияний черных дыр происходит именно таким образом. И если верить математическим моделям, это означает, что около 20% всех черных дыр во Вселенной образуются в звездных скоплениях!

Непростой путь открытий

Конечно, не обошлось без сложностей. Измерение спина прецессии (χp) более проблематично и требует дальнейших исследований. Тем не менее, ученые смогли подтвердить, что распределение χp также согласуется с теоретическими предсказаниями для иерархических слияний. Новые данные, собранные обсерваториями LIGO, Virgo, и KAGRA, а также будущими космическими обсерваториями, позволят нам сделать картину более детальной.

Заглядывая в будущее

Результаты этого исследования — еще один важный шаг на пути к пониманию эволюции массивных звезд и образования черных дыр. Они подтверждают, что плотные звездные скопления являются важным «инкубатором» для черных дыр, заполняющих «провал масс», и демонстрируют, что изучение спин-параметров может служить ключом к разгадке этих космических тайн. Эти знания не только углубляют наше понимание Вселенной, но и открывают новые перспективы для будущих исследований.