Зі шкільної лави нам відомий класичний сценарій походження чорних дір: коли масивна зірка завершує свій життєвий цикл, її зовнішні шари розлітаються масштабним вибухом наднової, а ядро невідворотно стискається. Воно перетворюється на надзвичайно щільну область з екстремальною гравітацією — так народжується чорна діра.
Завдяки сучасним детекторам гравітаційних хвиль астрофізики регулярно фіксують сотні злиттів чорних дір по всьому Всесвіту. Довгий час вважалося, що більшість із цих об’єктів є прямими нащадками мертвих зірок. 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 зірка 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 нескінченному циклі.
Головним маркером ієрархічного злиття є асиметрія. Якщо під час злиття пари чорних дір одна з них має значно більшу масу та вищу швидкість обертання, це переконливий доказ 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 вченим 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, дійсно є масовим явищем. Проте найцікавішим виявився розподіл мас.
Звичайні чорні діри зоряного походження зазвичай мають масу близько 10 або 30 мас Сонця. А от об’єкти другого покоління виявилися набагато важчими — близько 20, 40 і більше сонячних мас. Це відкриття вирішує давній парадокс астрофізики. Згідно з теорією еволюції зірок, жодна наднова не здатна залишити після себе чорну діру вагою понад 45 сонячних мас — потужний вибух просто розкидає занадто багато матеріалу.
Але якщо такі надважкі об’єкти не могли народитися з однієї зірки, звідки вони взялися? Тепер загадку остаточно розгадано: ці «неможливі» чорні діри виникають завдяки послідовному космічному канібалізму, зливаючись із менших чорних дір. 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
