На протяжении многих лет астрономы считали, что слияния черных дыр — это универсальный процесс: массивные звезды сжимаются, формируя черные дыры, которые впоследствии объединяются.
Новое исследование сигналов гравитационных волн указывает на другую возможность. Анализируя данные, полученные коллаборацией LIGO-Virgo-KAGRA, ученые теперь утверждают, что слияния черных дыр можно разделить на три отдельных типа, возникших в результате различных процессов.
В ходе исследования было отмечено, что гравитационно-волновой каталог содержит все больше свидетельств, указывающих на наличие различных групп двойных черных дыр. Это крайне важно, поскольку черные дыры отражают не только завершение жизненного цикла звезд, но и процессы, происходящие с ними на протяжении всей жизни: их взаимодействие и гибель.
Наличие нескольких способов формирования говорит о том, что Вселенная создает черные дыры различными путями, и каждый из них оставляет свой уникальный след в наблюдаемых данных.
Анализ четвертого гравитационно-волнового каталога GWTC-4, включающего в себя более 150 подтвержденных слияний черных дыр, выявил трудности в создании единой модели, способной объяснить растущий объем информации.
Основная трудность заключалась в том, что наблюдаемые характеристики, включая массы и спины, не демонстрировали последовательного изменения. Предполагалось бы, что если бы определяющим был один механизм формирования, распределение было бы плавным и непрерывным. Однако, данные указывали на заметные отклонения.
После изучения распределения масс команда выявила выраженную группировку около 10 масс Солнца и еще одну – вблизи 35 солнечных масс. Кроме того, было отмечено значительное изменение в характере вращения, особенно в диапазоне от 20 до 40 солнечных масс. Полученные данные указывали на возможное влияние различных физических механизмов в этих областях.
Для проверки этой гипотезы ученые создали компьютерные модели, объединяющие несколько предположительных популяций черных дыр. Они изменяли такие характеристики, как масса, ориентация спинов и частота слияний, до тех пор, пока результаты моделирования не соответствовали фактическим наблюдениям. Наиболее точное соответствие с данными было получено не для единой популяции, а для комбинации трех отдельных групп.
Около 79 процентов всех зарегистрированных слияний формируют первую и наиболее многочисленную группу, сосредоточенную вокруг массы в 10 солнечных масс. Эти системы характеризуются относительной простотой и упорядоченностью. Черные дыры в них вращаются с небольшой скоростью, их оси выровнены с направлением орбитального движения, и фиксируется незначительная прецессия.
Данная структура, безусловно, свидетельствует об образовании в замкнутых двойных звездных системах. В таких системах две звезды возникают одновременно, развиваются параллельно, обмениваются веществом и, в конечном итоге, схлопываются в черные дыры, которые объединяются без какого-либо внешнего воздействия.
Вторая группа, охватывающая около 14,5 процента общей численности, формируется вокруг объектов с массой примерно в 35 солнечных и отличается более нерегулярной структурой. Чёрные дыры в этой группе имеют близкие массы, однако их оси вращения выровнены не полностью, а сами системы характеризуются более выраженной прецессией.
Это свидетельствует о большей изменчивости окружающей обстановки. Ученые считают, что подобные двойные системы, вероятно, возникают в областях с высокой плотности звезд, таких как шаровые скопления, где взаимодействуют многочисленные звезды и черные дыры.
В таких обстоятельствах гравитационные силы способны сближать черные дыры, формируя пары, или же разрушать уже существующие союзы. Это приводит к изменению ориентации спинов и усложняет траектории движения, которые мы видим в полученных данных.
Эта группа, наименьшая по численности и составляющая примерно 2,5 процента от общего числа, характеризуется наибольшими массами и демонстрирует наиболее сложную динамику. В эти системы нередко входят черные дыры с различной массой, и они проявляют выраженную прецессию и нестабильные конфигурации вращения.
Вероятнее всего, причина кроется в иерархических слияниях, подразумевающих, что одна или обе черные дыры образовались в результате предыдущего объединения. Проще говоря, перед нами не черные дыры первого поколения, а вторичные объекты, сформированные в результате нескольких последовательных столкновений.
В своей работе исследователи подчеркивают, что полученные ими данные согласуются с современной популяцией, которая формируется в результате особенностей изолированной двойной эволюции, динамического образования в шаровых скоплениях и слияния черных дыр более поздних поколений.
Согласно этой картине, состоящей из трех моделей, слияния черных дыр не всегда происходят по единому сценарию, а зависят от сочетания различных процессов, определяющих их поведение в разных ситуациях.
Данное открытие способно пересмотреть представления о развитии звезд и содействовать более глубокому пониманию процессов формирования черных дыр в различных точках Вселенной. Кроме того, оно предоставляет ученым более надежную базу для анализа будущих наблюдений гравитационных волн.
Несмотря на это, работа над картиной еще не закончена. Ученые считают, что, несмотря на достаточно весомые статистические данные, подтверждающие наличие трех субпопуляций, установить прямую зависимость каждой из них с конкретным путем формирования пока не удалось.
Астрофизические объекты существуют в сложных условиях, где различные процессы могут взаимодействовать друг с другом. Ожидается, что новые наблюдения, проводимые коллаборациями LIGO-Virgo-KAGRA, предоставят больше данных, что позволит исследователям уточнить эти категории и подтвердить, соответствует ли предложенная модель, состоящая из трех семейств, действительности.
Исследование на сервере препринтов arXiv.