Астрономы доказали существование трех популяций сливающихся черных дыр: неразлучные пары, случайные встречи и «каннибалы»

Астрофизики получают информацию о слияниях черных дыр благодаря детекторам гравитационных волн. Когда два сверхплотных объекта сталкиваются, они вызывают возмущение пространства, которое распространяется по Вселенной и фиксируется приборами на Земле. Анализируя эти сигналы, ученые могут точно определить базовые физические параметры события: массу каждой из столкнувшихся черных дыр, скорость и направление их вращения вокруг своей оси, а также примерное расстояние до места столкновения.

Однако в этих данных напрямую не содержится ответ на главный вопрос: каким образом эти два объекта нашли друг друга. Долгое время исследователи пытались выяснить это, создавая сложные теоретические компьютерные модели эволюции звезд. Но такие модели неизбежно включают множество допущений и неизвестных параметров, поскольку процессы внутри звезд и механизмы взрывов сверхновых изучены не до конца.

Группа исследователей из Северо-Западного университета в США пошла по другому пути. Вместо того чтобы опираться на теоретические симуляции, они проанализировали массив реальных наблюдательных данных — каталог из более чем ста пятидесяти зафиксированных гравитационных волн. Ученые применили строгий статистический анализ, чтобы проверить, можно ли разделить все зафиксированные события на математически обоснованные группы на основе их массы и параметров вращения.

Результаты показали, что общая масса наблюдаемых черных дыр не является однородной. Она четко распадается на три подгруппы. Каждая из этих подгрупп обладает набором уникальных физических характеристик, которые однозначно указывают на конкретный сценарий формирования системы. Это означает, что во Вселенной существует ровно три основных механизма, заставляющих черные дыры объединяться в пары.

Для понимания этих механизмов нужно обратить внимание на два главных параметра, которые фиксируют детекторы: соотношение масс двух объектов и характеристики их вращения. Вращение черной дыры в физике называется спином. Важна не только скорость этого вращения, но и то, куда направлена ось черной дыры по отношению к орбите, по которой она кружится вокруг своего партнера.

Первая популяция — «неразлучные пары»: изолированная эволюция двойных систем

Первая и самая многочисленная группа охватывает 79 процентов всех зафиксированных слияний. Эти объекты образуются из двойных звездных систем, которые формируются одновременно из одного газопылевого облака. Две огромные звезды проводят всю свою жизнь вместе, вращаясь вокруг общего центра тяжести в относительно пустом галактическом пространстве.

Поскольку звезды находятся близко друг к другу, между ними возникают мощные приливные силы. В физике этот процесс приводит к синхронизации вращения. Оси, вокруг которых вращаются обе звезды, постепенно выстраиваются в одном направлении — параллельно оси их общего орбитального движения. Когда ядерное топливо внутри звезд заканчивается, они по очереди сжимаются, превращаясь в черные дыры. При этом изначальное направление их осей вращения сохраняется.

Анализ данных показал, что эта группа имеет четкие математические маркеры. Большинство таких черных дыр концентрируется вокруг массы, превышающей массу Солнца примерно в десять раз. Скорость их собственного вращения вокруг своей оси относительно невелика, но самое главное — векторы их вращения почти всегда направлены в ту же сторону, куда движется сама система. Кроме того, массы обоих объектов в такой паре обычно очень близки друг к другу, так как они формировались в одинаковых условиях из одного исходного материала.

Вторая популяция — «случайные встречи»: динамическое формирование в плотных скоплениях

Вторая группа составляет 14,5 процента от общего числа слияний. Механизм их формирования кардинально отличается. Эти черные дыры появляются в местах с крайне высокой плотностью материи — например, в шаровых звездных скоплениях, где на небольшом участке пространства собраны сотни тысяч звезд.

В такой тесной среде черные дыры формируются поодиночке. Так как черная дыра обладает гораздо большей массой, чем среднестатистическая звезда, гравитационные законы заставляют тяжелые объекты постепенно опускаться к самому центру скопления. В результате в центре образуется зона, густо населенная одиночными черными дырами. Из-за высокой плотности объектов они начинают взаимодействовать между собой. Когда две черные дыры пролетают достаточно близко, они могут захватить друг друга гравитацией и образовать новую орбитальную пару.

Поскольку до момента встречи эти объекты не имели общей истории и развивались независимо, направления их вращения никак не связаны. В данных детекторов эта группа выделяется массой около 35 масс Солнца и абсолютно случайным направлением осей вращения. Примерно в половине зафиксированных случаев одна из черных дыр вращается в направлении, прямо противоположном своему орбитальному движению. Такая независимая ориентация является стопроцентным доказательством того, что объекты сформировались отдельно друг от друга и встретились уже после гибели своих исходных звезд. При этом физика взаимодействия в плотных скоплениях такова, что в пары чаще всего объединяются объекты с одинаковой массой.

Третья популяция — «каннибалы»: иерархические слияния черных дыр второго поколения

Третья, самая малочисленная группа охватывает всего 2,5 процента событий. Однако именно она демонстрирует самые экстремальные физические параметры. В эту категорию входят черные дыры, которые образовались не в результате сжатия звезд, а в результате предшествующих слияний других черных дыр.

Существует физический процесс, который делает такие объекты редкостью. В момент слияния двух черных дыр выделяется огромное количество энергии в виде гравитационных волн. Из-за асимметрии этого излучения новый, объединенный объект получает мощный физический толчок — отдачу. Скорость этой отдачи часто оказывается настолько высокой, что новообразованная черная дыра навсегда вылетает за пределы своего звездного скопления в пустое пространство, где шансы встретить нового партнера равны нулю.

Но если первичное слияние происходит в среде с колоссальным гравитационным полем — например, в диске газа вокруг центральной сверхмассивной черной дыры галактики — силы тяжести хватает, чтобы удержать объект на месте. Оставшись в плотной среде, эта утяжеленная черная дыра второго поколения притягивает к себе новую, обычную черную дыру первого поколения.

Детекторы фиксируют эту группу по двум ключевым признакам. Во-первых, это чрезвычайно большая разница в массах: один объект в паре значительно превосходит другой. Во-вторых, очень высокие скорости вращения, которые объект приобрел в результате своего прошлого слияния. Массы таких дыр могут достигать 140 масс Солнца, что невозможно для обычного звездного пути формирования. В астрофизике существует предел массы звезд: если звезда слишком велика, термоядерная реакция внутри нее выходит из-под контроля, и звезда взрывается, не оставляя после себя ничего, даже черной дыры. Поэтому объекты массой свыше 70 масс Солнца могут появиться только путем слияния более мелких черных дыр.

Научное значение результатов

Точное распределение черных дыр по трем физическим группам решает сразу несколько важных научных проблем. Ранее исследователи пытались объяснить все гравитационные сигналы с помощью одних и тех же механизмов, что приводило к противоречиям. Теперь стало ясно, что наблюдаемая картина формируется простым сложением трех разных физических процессов, каждый из которых работает по своим законам и оставляет свой уникальный след в распределении параметров.

Более того, этот математический подход позволил исследователям сделать выводы о внутренних процессах, происходящих в обычных звездах до их разрушения. Выявив точную верхнюю границу массы для первой подгруппы черных дыр (около 70 масс Солнца), физики получили практическое подтверждение теоретических расчетов, связанных с термоядерным горением. Точка, в которой обычные звезды перестают формировать черные дыры и полностью разрушаются, напрямую зависит от скорости слияния ядер углерода и кислорода при сверхвысоких температурах.

Таким образом, анализ данных гравитационно-волновых обсерваторий выходит на новый уровень. Исследователи больше не зависят исключительно от симуляций с множеством неизвестных. Полученные параметры массы и вращения позволяют напрямую измерять частоту различных астрофизических событий, восстанавливать происхождение черных дыр и даже уточнять законы ядерной физики, управляющие жизнедеятельностью звезд во всей Вселенной.

Источник:arXiv