Чёрные дыры оказались неодинаковыми: астрономы нашли признаки «второго поколения» среди сливающихся объектов

После первого прямого обнаружения гравитационных волн в 2015 году обсерватории LIGO, Virgo и KAGRA зарегистрировали сотни сигналов от слияний компактных объектов. Однако вопрос о том, как образуются двойные системы чёрных дыр, остаётся открытым. Теперь два независимых исследования указали на существование отдельных популяций, одна из которых может состоять из чёрных дыр второго поколения — объектов, рождённых в результате более ранних столкновений.

Существует два основных сценария образования двойных систем чёрных дыр. Первый предполагает, что две массивные звезды формируются и эволюционируют вместе, а после их гибели образуется двойная система чёрных дыр. Второй вариант связан с плотными звёздными скоплениями, где уже сформировавшиеся чёрные дыры могут сближаться и образовывать пары в результате случайных гравитационных взаимодействий.

Информация о массе и вращении объектов содержится в форме гравитационной волны, возникающей при их сближении и слиянии. Разные механизмы формирования могут оставлять в этих параметрах характерные признаки. Первая группа под руководством исследователя Массачусетского технологического института Кейлин Планкетт разработала модель, основанную на двух параметрах вращения. Они показывают скорость вращения чёрных дыр и направление их осей по отношению к орбитальному движению системы.

Вторая команда во главе с исследователем Университета Монаша Шараном Банаджири использовала более гибкий статистический подход. Учёные позволили данным самостоятельно определить количество возможных групп, не задавая заранее конкретные сценарии происхождения. Несмотря на различия в методах, обе группы обнаружили отдельную популяцию особенно массивных чёрных дыр. Масса каждого основного объекта в таких системах составляла около 40 масс Солнца или больше.

Команда Планкетт установила, что массивные чёрные дыры вращались быстро, а направления их осей были распределены случайным образом. Такая картина соответствует сценарию иерархических слияний, при котором некоторые чёрные дыры уже образовались в результате более ранних столкновений, а затем вошли в состав новой двойной системы.

Группа Банаджири выявила похожую границу по массе и также обнаружила высокие скорости вращения. Однако в этом анализе направление спина не дало столь однозначных признаков повторного слияния, поэтому авторы призвали осторожно интерпретировать результаты.

Полученные данные считаются одним из наиболее убедительных свидетельств существования чёрных дыр второго поколения. Такие объекты могли сформироваться не непосредственно после коллапса массивной звезды, а в результате объединения двух более лёгких чёрных дыр. Этот механизм может объяснить появление объектов в диапазоне масс, который трудно получить при обычной звёздной эволюции. В некоторых моделях часть особенно массивных звёзд разрушается полностью и не оставляет после себя чёрной дыры определённой массы. Повторные слияния позволяют обойти это ограничение.

Изучение иерархических слияний также может помочь понять, как росли зародыши сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик. По мере повышения чувствительности гравитационно-волновых детекторов учёные смогут точнее определить границы между разными популяциями и проверить предложенные сценарии. Но даже сейчас ясно: чёрные дыры не рождаются одинаковыми. Некоторые из них — результат долгой эволюции звёзд, другие — продукт космического каннибализма, где одна чёрная дыра поглощает другую, чтобы стать ещё больше. И если это так, то Вселенная полна «семейных» историй, которые мы только начинаем читать.