Вселенная полна «невозможных» чёрных дыр. Теперь мы знаем почему

Существуют черные дыры, слишком большие, чтобы образоваться в результате гибели звезды, но они также не являются сверхмассивными. Наконец, появились доказательства того, как они могли возникнуть.

Международная группа астрофизиков обнаружила доказательства того, что Вселенная перерабатывает черные дыры, объединяя их для образования еще больших.

Гравитационные волны, зарегистрированные в последние годы, показывают, что некоторые из самых тяжелых черных дыр в звездных скоплениях демонстрируют явные признаки того, что это черные дыры «второго поколения», продукты прошлых столкновений, и, следовательно, они не могли образоваться в результате коллапса массивной звезды.

Невозможные чёрные дыры

Эволюционная теория звезд объясняет, что в конце жизни самых массивных звезд их ядра сжимаются до такой плотности, что искривляют пространство-время до бесконечности!

Это классическая черная дыра с массой от 10 до 40 масс Солнца. Существуют также сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик, массой в миллионы или миллиарды солнечных масс, происхождение которых связано с процессами, происходившими в самые ранние моменты существования Вселенной.

Между этими двумя крайностями лежит спорная категория: чёрные дыры массой от 40 до 100 солнечных масс. Они слишком массивны, чтобы образоваться в результате гибели звезды, но им также не хватает необходимых размеров, чтобы возникнуть из коллапса гигантского облака материи.

Традиционная звёздная физика считает их «невозможными», и тем не менее они часто обнаруживаются.

Астрофизики предполагают, что эти тяжёлые чёрные дыры могли образоваться в результате слияния двух или более меньших, сверхплотных объектов.

Идея обоснована, но для её подтверждения требовались доказательства, а до недавнего времени не было способа их получить.

Затем в дело вступили детекторы гравитационных волн. Эти приборы используют лазеры для измерения микроискажений пространства-времени, возникающих при столкновении чрезвычайно плотных объектов. Первое обнаружение, в 2015 году, подтвердило слияние черных дыр. С тех пор каждый новый сигнал позволял лучше характеризовать эти структуры и показывал, что такие столкновения происходят гораздо чаще, чем мы предполагали.

Сигнатура второго поколения

Исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy, проанализировало каталог переходных гравитационных волн, генерируемых тремя крупнейшими в мире обсерваториями. База данных включала 153 достоверных обнаружения слияний черных дыр, 34 из которых касались особо массивных объектов.

Сравнив все сигналы, команда выявила две различные популяции. Более легкие черные дыры, массой до 40 солнечных масс, демонстрировали небольшое, выровненное вращение, как и ожидалось от объектов, образовавшихся в результате коллапса звезды.

Но выше определенного уровня, около 45 солнечных масс, появилась совершенно другая популяция: более тяжелые черные дыры, быстро вращающиеся в хаотических направлениях — статистический признак, который может возникнуть только тогда, когда объект уже участвовал в предыдущем слиянии.

«Это именно тот признак, который можно было бы ожидать, если бы черные дыры многократно сливались в плотных звездных скоплениях», — заявила доктор Изобель М. Ромеро-Шоу, соавтор исследования, в заявлении Кардиффского университета.

До сих пор мы не наблюдали напрямую ни одной из этих «невозможных» черных дыр. В отличие от сверхмассивных черных дыр, они не видны в рентгеновском или видимом спектре. Однако мы знаем об их существовании, потому что их столкновения вызывают колебания пространства-времени, и эти колебания выявляют массы, которые не могут быть объяснены звездной физикой.

Это исследование показывает, что самые тяжелые черные дыры не рождаются, а формируются. Они возникают в результате столкновений предыдущих поколений, собравшись в самых плотных средах космоса.

via