Астрономы объяснили существование необычно тяжелых черных дыр звездной массы

Аномально крупные черные дыры звездной массы, следы существования которых недавно открыли специалистиы из проекта LIGO, возникают в результате слияний нескольких менее крупных объектов, которые находятся в окрестностях сверхмассивных черных дыр. К такому выводу пришли астрофизики, статью которых опубликовал научный журнал Physical Review Letters.

"Природа некоторых слияний черных дыр, которые открыли LIGO и VIRGO, по-прежнему остается неизвестной для нас. Мы выяснили, что если обычные черные дыры периодически попадают в окрестности сверхмассивных черных дыр в центрах галактик, то почти все из них переживают цепочки слияний, которые помогут им "перешагнуть" через предел максимальной массы", - пишут исследователи.

Сейчас ученые выделяют две категории черных дыр, которые радикально отличаются по массе. Сверхмассивные черные дыры располагаются в центрах галактики, они тяжелее Солнца в миллионы или даже миллиарды раз. Существуют и менее крупные объекты - так называемые черные дыры звездной массы, которые возникают в результате гравитационного коллапса крупных светил.

Долгое время ученые считали, что все подобные черные дыры укладываются в очень узкий диапазон - от 10 до 50 солнечных масс. Это связано с особенностями процесса гибели их прародителей. Они одновременно не могут быть слишком маленькими, так как тогда ядро звезды не сможет превратиться в черную дыру, и слишком большими, так как светило взорвется и разлетится на части еще до рождения сингулярности.

Эту идею, как отмечают Имре Бартош из Университета Флориды в Гейнсвилле (США) и его коллеги, ученые поставили под сомнение в июле 2017 года, когда гравитационная обсерватория LIGO обнаружила следы слияния двух сверхмассивных черных дыр, одна из которых была тяжелее Солнца более чем в 51 раз.

Последующие открытия LIGO и европейского гравитационного телескопа ViRGO указали на то, что черные дыры, чья масса близка к этому пределу, встречаются во Вселенной необычно часто. Это заставило команду Бартоша задуматься о том, как могли возникнуть подобные черные дыры и где их чаще всего можно найти.

Их "инкубатором", как предположили ученые, могут выступать центральные регионы галактик, в которых находятся десятки тысяч черных дыр звездной массы. Наблюдения за центром Млечного Пути показывают, что они достаточно редко сближаются и сталкиваются между собой, несмотря на их плотное соседство. Это правило, как заметили авторы статьи, может не соблюдаться для объектов, которые находятся в окрестностях сверхмассивных черных дыр.

Они должны притягивать к себе не только облака из пыли и газа, но и другие скопления материи, в том числе обломки планет, звезды и небольшие черные дыры. Они будут скапливаться внутри так называемого диска аккреции - "бублика" из материи, который окружает сверхмассивную черную дыру и который она постепенно поглощает.

Руководствуясь этой идеей, ученые подсчитали типичное число черных дыр звездной массы в этом регионе пространства и, используя компьютерные симуляции, проверили, как часто они будут сталкиваться друг с другом. Эти расчеты показали, что в диске аккреции будет постоянно присутствовать несколько сотен черных дыр, причем почти все из них хотя бы один раз столкнутся с соседними объектами. Серии подобных слияний, как показывают расчеты ученых, приведут к тому, что масса около 40% черных дыр будет превышать солнечную более чем в 50 раз.

У подобных черных дыр, по словам астрономов, будет одна отличительная черта. Направления их вращения вокруг своей оси и по орбите будут противоположны друг другу, а скорость их движения будет необычно высокой. Эта особенность характерна и для черных дыр, чье слияние LIGO зафиксировала в июле 2017 года.

Иными словами, первый пример подобных слияний уже существует, однако для того, чтобы окончательного подтвердить эту теорию, нужно открыть несколько других объектов с такими же свойствами, заключают ученые.