Forskare som studerar gravitationsvågor tror sig ha listat ut hur universum skapar sina största svarta hål, och spoiler: det är inte den vanliga dramatiska kollapsen av en döende stjärna. Istället verkar dessa kosmiska tungviktare vara återfallsförbrytare som växer genom flera kollisioner inuti stjärnhopar som är tätare packade än en Tokyos tunnelbana i rusningstid.
Ledd av Cardiff University grävde forskningen i version 4.0 av LIGO-Virgo-KAGRA Gravitational-Wave Transient Catalog (GWTC4), som loggar 153 pålitliga svarta hål-sammanslagningar. Teamet, som publicerar i Nature Astronomy, fokuserade på om de största svarta hålen var "andra generationens" objekt – bildade när svarta hål från döda stjärnor kraschar ihop, för att sedan slås samman igen i täta stellära miljöer där stjärnor är trängda upp till en miljon gånger närmare än i vårt solkvarter.
"Gravitationsvågsastronomi gör nu mer än att räkna svarta hål-sammanslagningar," sade huvudförfattaren Dr. Fabio Antonini från Cardiff University. "Den börjar avslöja hur svarta hål växer, var de växer och vad det säger oss om massiva stjärnors liv och död." Analysen identifierade två distinkta populationer av svarta hål, där de tyngre uppvisade ett egendomligt spinnbeteende – snabba rotationer i slumpmässiga riktningar, precis vad man förväntar sig från upprepade sammanslagningar i täta hopar.
"Vad som förvånade oss mest var hur tydligt de högmassiva svarta hålen sticker ut som en separat population," tillade medförfattaren Dr. Isobel Romero-Shaw. "Till skillnad från systemen med lägre massa... är systemen med högre massa förenliga med att ha snabbare spinn, orienterade i till synes slumpmässiga riktningar. Detta är den exakta signatur man skulle förvänta sig om svarta hål upprepade gånger slogs samman i täta stjärnhopar."
Studien stärker också bevisen för en mystisk "massklyfta" runt 45 solmassor, där stjärnor av en viss storlek borde explodera så våldsamt att de inte lämnar något svart hål efter sig. "De största svarta hålen i det aktuella urvalet verkar berätta om hopdynamik, inte bara stjärnutveckling," noterade Antonini. "Över cirka 45 solmassor förändras spinnfördelningen... naturligt förklarat om dessa svarta hål redan har genomgått tidigare sammanslagningar i täta hopar."
När man blickar framåt föreslår forskarna att dessa data kan hjälpa till att undersöka kärnfysik inuti massiva stjärnor, eftersom massklyftan för parinstabilitet beror på reaktioner i stjärnkärnor. "I framtiden kan gravitationsvågsdata hjälpa forskare att studera kärnfysik," sade medförfattaren Dr. Fani Dosopoulou. För inget säger "kärnfysik" som ett svart hål som varit med om flera kosmiska krockar.