Зі шкільної лави нам відомий класичний сценарій походження чорних дір: чорні діри утворюються після смерті масивних зір. Коли зоря вичерпує запаси термоядерного палива, її ядро колапсує під дією власної гравітації. Зовнішні шари часто викидаються вибухом наднової, а стиснуте ядро перетворюється на чорну діру.
Завдяки сучасним детекторам гравітаційних хвиль астрофізики вже зареєстрували сотні злиттів чорних дір у різних куточках Всесвіту. Тривалий час вважалося, що більшість із цих об’єктів є прямими нащадками мертвих світил. Проте виявилося, що можливий й інший сценарій. Продукти попередніх зіткнень можуть зливатися знову, створюючи ще масивніших гравітаційних монстрів. Цей альтернативний шлях отримав назву «ієрархічне злиття».
Нещодавно команда науковців з Массачусетського технологічного інституту (MIT) опублікувала в авторитетному виданні Physical Review Letters революційне дослідження. Вони проаналізували дані 155 пар подвійних чорних дір і з’ясували, що близько 14 % таких об’єктів у нашому Всесвіті насправді є чорними дірами другого покоління.
«Ми бачимо, що для деяких із цих чорних дір це вже не перше злиття. Тепер ми маємо чітку картину того, що значний відсоток чорних дір утворюється саме таким повторюваним шляхом», — зазначає головна авторка дослідження, аспірантка кафедри фізики MIT Кейлін Планкетт. Дослідження також підтримали співавтори: Сальваторе Вітале з MIT, Томас Калістер із Вільямс-коледжу та Майкл Зевін із Планетарію Адлера та Північно-Західного університету.
Як розпізнати чорну діру другого покоління
Коли звичайна масивна зоря колапсує, новоутворена чорна діра має мінімальний обертальний момент, адже значна частина маси та енергії обертання втрачається під час вибуху наднової. Натомість об’єкт, який народжується внаслідок зіткнення двох чорних дір, починає шалено крутитися — його швидкість сягає близько 70 % від максимально можливого порогу.
Ідеальні умови для таких космічних «більярдів» виникають у надзвичайно щільних зоряних скупченнях. Там безліч світил розташовані настільки тісно, що після їхнього перетворення на чорні діри вони продовжують гравітаційно взаємодіяти, захоплювати одна одну і зливатися в багаторазовому циклі.
Магазин від Universe Space Tech
Комплект журналів Сонце, Місяць та Марс
До товаруГоловним маркером ієрархічного злиття є асиметрія. Якщо під час злиття пари чорних дір одна з них має значно більшу масу та вищу швидкість обертання, це вагома ознака того, що цей «важковаговик» вже є продуктом попереднього зіткнення.
У 2024 році такі аномальні дуети зафіксували обсерваторії LIGO, Virgo та KAGRA, які вловлюють гравітаційні хвилі — крихітні брижі у тканині простору-часу. Вони зареєстрували сигнали GW241011 та GW241110. Аналіз показав, що в кожній із цих пар одна діра оберталася набагато швидше за свою компаньйонку.
Розгадка неможливих мас
Натхненні цими даними, Планкетт і Вітале розширили пошуки. Вони проаналізували Каталог перехідних гравітаційних хвиль GWTC-4.0. Науковці шукали не просто окремі відхилення, а загальну фізичну закономірність — орбітальну прецесію, або специфічні «коливання».
Безпосередньо перед зіткненням чорні діри кружляють по спіралі у спільній площині, що нагадує диск. Якщо їхні осі обертання перпендикулярні до цієї площини — система стабільна. Але якщо хоча б одна вісь нахилена — орбіта починає хитатися. Ступінь цієї прецесії дозволяє науковцям вирахувати баланс мас та швидкостей обох об’єктів.
Аналіз масиву даних каталогу GWTC-4.0 підтвердив, що коливання, характерні для зустрічі чорних дір першого та другого поколінь, справді є масовим явищем. Проте найцікавішим виявився розподіл мас.
Звичайні чорні діри зоряного походження зазвичай мають масу від кількох до кількох десятків мас Сонця. Натомість серед нових об’єктів другого покоління дедалі частіше трапляються значно масивніші об’єкти. Їхнє існування давно ставило астрофізиків у глухий кут. Згідно зі стандартними моделями еволюції масивних зір, чорні діри з масами приблизно понад 45–60 сонячних мас не повинні утворюватися безпосередньо після вибуху наднової. Такі зорі стають нестабільними й втрачають надто багато речовини або взагалі повністю руйнуються внаслідок парно-нестабільного вибуху, не залишаючи після себе жодного компактного залишку.
Але якщо такі надважкі об’єкти не могли народитися з однієї зорі, то звідки вони взялися? Нове дослідження пропонує переконливе пояснення цієї загадки. Значна частина таких масивних чорних дір, імовірно, не народилася безпосередньо із зір, а сформувалася внаслідок послідовних злиттів менших чорних дір. Це не остаточне підтвердження ієрархічного сценарію, але одне з найсильніших статистичних свідчень на його користь. Дослідження, частково підтримане Національним науковим фондом та Фондом Брінсона, відкриває нову сторінку в розумінні еволюції нашого Всесвіту.
Раніше ми розповідали про парадокси чорних дір простими словами.
За матеріалами MIT
