Ученые, изучающие гравитационные волны, считают, что поняли, как Вселенная создает свои самые большие черные дыры, и спойлер: это не обычный драматический коллапс умирающей звезды. Вместо этого эти космические тяжеловесы оказываются рецидивистами, растущими через множественные столкновения внутри звездных скоплений, которые упакованы плотнее, чем токийское метро в час пик.
Исследование под руководством Кардиффского университета углубилось в версию 4.0 каталога гравитационно-волновых транзиентов LIGO-Virgo-KAGRA (GWTC4), который регистрирует 153 надежных слияния черных дыр. Команда, публикующаяся в Nature Astronomy, сосредоточилась на том, являются ли самые большие черные дыры объектами «второго поколения» — образованными, когда черные дыры от мертвых звезд сталкиваются, а затем сливаются снова в плотных звездных средах, где звезды сжаты в миллион раз ближе, чем в нашем солнечном соседстве.
«Гравитационно-волновая астрономия теперь делает больше, чем просто подсчет слияний черных дыр», — сказал ведущий автор доктор Фабио Антонини из Кардиффского университета. «Она начинает раскрывать, как черные дыры растут, где они растут и что это говорит нам о жизни и смерти массивных звезд». Анализ выявил две различные популяции черных дыр, причем более тяжелые демонстрируют своеобразное поведение спина — быстрые вращения в случайных направлениях, именно то, что можно ожидать от повторных слияний в плотных скоплениях.
«Что нас больше всего удивило, так это то, насколько четко черные дыры с большой массой выделяются как отдельная популяция», — добавила соавтор доктор Изобель Ромеро-Шоу. «В отличие от систем с меньшей массой... системы с большей массой согласуются с более быстрыми спинами, ориентированными в, казалось бы, случайных направлениях. Это точная сигнатура, которую вы ожидали бы, если бы черные дыры многократно сливались в плотных звездных скоплениях».
Исследование также подкрепляет доказательства существования загадочного «провала масс» около 45 солнечных масс, где звезды определенного размера должны взрываться так violently, что не оставляют после себя черной дыры. «Самые большие черные дыры в текущей выборке, похоже, рассказывают нам о динамике скоплений, а не только о звездной эволюции», — отметил Антонини. «Выше примерно 45 солнечных масс распределение спинов меняется... естественно объясняется, если эти черные дыры уже прошли через более ранние слияния в плотных скоплениях».
Заглядывая вперед, исследователи предполагают, что эти данные могут помочь исследовать ядерную физику внутри массивных звезд, поскольку провал масс из-за парной нестабильности зависит от реакций в звездных ядрах. «В будущем данные гравитационных волн могут помочь ученым изучать ядерную физику», — сказала соавтор доктор Фани Досопулу. Потому что ничто так не говорит о «ядерной физике», как черная дыра, пережившая множественные космические столкновения.