История происхождения черных дыр не так проста. Существует множество путей слияния и множество возможных вариантов.
В течение многих лет астрономы рассматривали слияние черных дыр так, как если бы все они произошли из одного космического конвейера. Массивные звезды коллапсируют, образуют черные дыры и в конечном итоге сталкиваются. Однако новый анализ сигналов гравитационных волн предполагает нечто иное.
Изучив данные коллаборации LIGO-Virgo-KAGRA, исследователи теперь утверждают, что слияния черных дыр на самом деле делятся на три различных семейства, каждое из которых имеет различное происхождение.
«В сводном каталоге гравитационных волн, составленном коллаборацией LIGO-Virgo-KAGRA, появляется все больше свидетельств существования множественных субпопуляций двойных черных дыр (ДЧД)», — отмечают авторы исследования.
Эта информация имеет огромное значение, поскольку черные дыры — это не просто конечные точки звезд, а свидетельства того, как звезды живут, взаимодействуют и умирают. Если существует несколько путей формирования, это означает, что Вселенная создает черные дыры более чем одним способом, и каждый путь оставляет измеримый след в данных.
Скрытая закономерность в шуме
Исследователи работали с четвертым каталогом гравитационных волн, GWTC-4, который содержит более 150 подтвержденных слияний черных дыр. До недавнего времени ученые пытались объяснить этот растущий объем данных с помощью единой, унифицированной модели.
Главная проблема заключалась в том, что наблюдаемые свойства, такие как массы и спины, не следовали плавной закономерности. Если бы доминировал один процесс образования, распределение должно было бы быть постепенным и непрерывным. Вместо этого данные демонстрировали явные нерегулярности.
При изучении распределения масс команда обнаружила сильное скопление объектов с массой около 10 масс Солнца и еще одно — около 35 солнечных масс. Также были замечены заметные изменения в поведении вращения, особенно вблизи 20 и 40 солнечных масс.
Эти особенности указывали на то, что здесь могут действовать различные физические процессы. Чтобы проверить это, исследователи создали симуляции, объединяющие несколько гипотетических популяций черных дыр.
Они корректировали такие параметры, как масса, выравнивание спина и частота слияний, до тех пор, пока смоделированные данные не совпали с реальными наблюдениями. Результатом, наилучшим образом воспроизводящим данные, оказалась не одна популяция, а смесь трех различных групп.
«Мы показали, что выборка обнаруженных двойных черных дыр включает три астрофизические субпопуляции, в которых, вероятно, преобладают определенные каналы образования», — заявили авторы исследования.
Три семьи, три происхождения
Первая и самая крупная группа составляет около 79 процентов всех наблюдаемых слияний и скоплений массой около 10 солнечных масс. Эти системы кажутся относительно простыми и упорядоченными. Черные дыры вращаются медленно, их вращение совпадает с их орбитальным движением, и колебания практически отсутствуют.
Такое чистое поведение убедительно указывает на происхождение из изолированных двойных систем, где две звезды рождаются одновременно, эволюционируют бок о бок, обмениваются массой и в конечном итоге коллапсируют в черные дыры, которые сливаются без вмешательства со стороны окружающей среды.
Вторая группа, составляющая примерно 14,5 процента населения, сосредоточена вокруг 35 солнечных масс и выглядит заметно более хаотичной. Черные дыры, как правило, имеют схожие массы, но их вращения лишь частично выровнены, и системы демонстрируют большую неустойчивость.
Это указывает на более динамичную среду. Исследователи предполагают, что эти двойные системы, вероятно, формируются в густонаселенных областях, таких как шаровые скопления, где взаимодействуют множество звезд и черных дыр.
В таких условиях гравитационные взаимодействия могут приводить к образованию пар черных дыр или нарушать целостность существующих пар, что обуславливает смешанную ориентацию вращения и более сложное движение, наблюдаемое в данных.
Третья и самая маленькая группа, составляющая около 2,5% от общего числа, относится к категории массивных и демонстрирует наиболее сложное поведение. В этих системах часто присутствуют черные дыры неравной массы, которые проявляют сильную вибрацию и нерегулярные схемы вращения.
Наиболее вероятное объяснение — иерархические слияния, при которых по крайней мере одна из черных дыр сама является продуктом более раннего слияния. Другими словами, это не черные дыры первого поколения, а переработанные, образовавшиеся в результате многочисленных столкновений.
«Наши результаты согласуются с наблюдаемой в настоящее время популяцией, возникшей в результате специфической относительной численности изолированных двойных звезд, динамического формирования в шаровых скоплениях и слияний черных дыр более высоких поколений», — заявили авторы исследования.
Не одна история происхождения, а запутанное генеалогическое древо.
Эта картина, охватывающая три семейства черных дыр, предполагает, что слияния черных дыр не подчиняются единому универсальному механизму, а являются результатом сочетания различных процессов, доминирующих в разных условиях.
Это открытие может переосмыслить модели звездной эволюции и помочь ученым лучше понять, где и как образуются черные дыры во Вселенной. Оно также предоставляет исследователям более четкую основу для интерпретации будущих обнаружений гравитационных волн.
Однако в то же время картина еще не полная. Исследователи предполагают, что, хотя статистические данные о трех субпопуляциях убедительны, прямая связь каждой группы с каким-либо одним каналом формирования остается неопределенной.
«Хотя эти выводы достаточно убедительны, прямая связь между субпопуляциями и отдельными каналами остается неясной», — добавили авторы исследования.
Реальные астрофизические среды сложны, и в каждой группе может перекрываться множество процессов. Ожидается, что предстоящие сеансы наблюдений коллаборации LIGO-Virgo-KAGRA предоставят еще больше данных, и ученые надеются уточнить эти категории и проверить, действительно ли эта модель трех семейств верна.
Исследование опубликовано на arXiv.
Sourse: interestingengineering.com
