Исследование 155 пар двойных систем показало, что 14% наблюдаемых объектов в «запрещённой» области масс не вписываются в сценарий разрушения звёзд и свидетельствуют о сложной истории формирования
Наука и космос024 минуты назад
Астрофизики нашли свидетельства того, что значительная часть чёрных дыр во Вселенной возникает не вследствие гибели звёзд, а в результате их столкновений. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Physical Review Letters, приблизительно 14% всех сливающихся объектов относятся ко второму поколению. Это объясняет, как формируются чёрные дыры в теоретическом разрыве масс, где они не могут образоваться путём коллапса звёзд.
Основой исследования стал анализ 155 пар двойных чёрных дыр, зафиксированных через их гравитационные волны. Данные были собраны международной сетью гравитационных детекторов, включающей гравитационно-волновую обсерваторию LIGO в США, детектор Virgo в Италии и интерферометр KAGRA в Японии. В работе также использовались архивные данные из каталогов.
Ключевым результатом анализа стало выявление ясной границы, выше которой механизмы классической эволюции звёзд перестают действовать. Ученые определили, что при массе первичного компонента свыше 46.2 солнечных масс популяция чёрных дыр почти полностью состоит из результатов повторных слияний. Этот порог точно совпадает с началом разрыва масс, вызванного парно-нестабильными сверхновыми (сценарий гибели очень массивных звёзд, при котором ядро полностью разрушается в результате термоядерного взрыва, не оставляя компактного объекта).
Кроме сверхмассивных объектов, авторы также обнаружили другую аномалию — неожиданный пик доли чёрных дыр второго поколения в области низких масс около 15.7 солнечных масс. В этой точке доля объектов, образовавшихся в результате предыдущих столкновений, составляет не менее 5%. Ученые связывают существование двух столь различных групп с металличностью звёздной среды [количеством элементов тяжелее водорода и гелия]. Низкомассивный пик формируется в звёздных скоплениях с химическим составом, схожим с солнечным, тогда как гиганты свыше 46 солнечных масс появляются в древних, бедных металлами областях Вселенной.
Чтобы различить чёрные дыры первого поколения, возникшие непосредственно из звёзд, от объектов второго поколения, авторы разработали математическую модель. Она одновременно анализирует два параметра: скорость и направление вращения чёрных дыр при их сближении и степень наклона и колебания орбитальной плоскости. Когда сталкиваются объекты с несинхронным вращением, плоскость их орбит начинает волнообразно колебаться (прецессировать). Степень этого «покачивания» позволяет точно определить массы и спины объектов.
Характерным признаком иерархического слияния является его асимметричность: один из компонентов пары всегда значительно массивнее и имеет более высокое вращение. В общем массиве данных были выделены конкретные гравитационно-волновые сигналы с наивысшей статистической вероятностью такого происхождения.
Как показало исследование, подобные «циклы перерождения чёрных дыр» происходят в плотных звёздных скоплениях. В таких условиях, когда множество близких массивных звёзд погибает и образует чёрные дыры, значительно легче «гравитационно соединиться». Теоретически этот процесс может повторяться многократно, формируя всё более массивные объекты.
Учет существования субпопуляции второго поколения важен для точности всей современной астрофизики. Авторы работы продемонстрировали, что если игнорировать иерархические слияния, то модели искусственно завышают ширину распределения спинов (скорость и направление вращения) для обычных чёрных дыр первого поколения почти в два раза. Общая доля повторных столкновений в 14% полностью согласуется с теоретическими расчетами динамического моделирования для звёздных кластеров.
Точное картирование характеристик чёрных дыр позволяет учёным исследовать процессы в недрах звёзд. Новые данные накладывают фундаментальные физические ограничения на сечения важнейших термоядерных реакций в массивных звёздах, в частности на реакцию превращения углерода-12 и гелия в кислород-16.
Darth SaharaИсточники:Physical Review LettersarXivНаука и космос0КосмосАстрофизикаЧёрные дырыГравитационные волныКосмические исследованияОбсерватория LIGOОбсерватория Virgo24 минуты назад
Источник