Долгие годы астрономы относились к слияниям черных дыр так, будто все они проходят через одну и ту же космическую производственную линию: массивные звезды коллапсируют, образуют черные дыры, которые в итоге сливаются.
Однако новый анализ сигналов гравитационных волн предполагает нечто иное. Изучая данные коллаборации LIGO-Virgo-KAGRA, исследователи теперь утверждают, что слияния черных дыр на самом деле делятся на три различных семейства, каждое из которых сформировано своим собственным происхождением.
Авторы исследования отмечают, что появляется все больше доказательств существования нескольких субпопуляций двойных черных дыр в накопленном гравитационно-волновом каталоге. Эта информация имеет огромное значение, потому что черные дыры — это не просто конечные точки жизни звезд, а записи того, как звезды живут, взаимодействуют и умирают.
Если существует несколько путей формирования, это означает, что Вселенная строит черные дыры более чем одним способом, и каждый путь оставляет измеримый отпечаток в данных.
Исследователи работали с четвертым гравитационно-волновым каталогом GWTC-4, который содержит более 150 подтвержденных слияний черных дыр. До недавнего времени ученым было трудно объяснить этот растущий набор 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 формирования, распределение было бы постепенным и непрерывным. Вместо этого данные показали явные нерегулярности.
Когда команда изучила распределение масс, они обнаружили сильную кластеризацию около 10 масс Солнца и другую около 35 солнечных масс. Также наблюдались заметные изменения в поведении спинов, особенно в районе 20 и 40 солнечных масс. Эти особенности намекали на то, что здесь могут действовать разные физические процессы.
Чтобы проверить это, исследователи построили симуляции, которые объединяли несколько гипотетических популяций черных дыр. Они настраивали такие параметры, как масса, выравнивание спинов и частота слияний, пока смоделированные данные не совпали с реальными наблюдениями. Результат, который лучше всего воспроизвел данные, оказался не единой популяцией, а смесью трех различных групп.
Первая и самая большая группа составляет около 79 процентов от всех наблюдаемых слияний и группируется вокруг 10 солнечных масс. Эти системы выглядят относительно простыми и упорядоченными. Черные дыры вращаются медленно, их спины выровнены с орбитальным движением, и наблюдается очень слабая прецессия.
Такая упорядоченная картина явно указывает на происхождение в изолированных двойных системах, где две звезды рождаются вместе, эволюционируют бок о бок, обмениваются массой и в конце концов коллапсируют в черные дыры, которые сливаются без помех со стороны своего окружения.
Вторая группа, составляющая примерно 14,5 процента популяции, сосредоточена вокруг 35 солнечных масс и выглядит заметно более хаотичной. Черные дыры в ней имеют тенденцию к схожим массам, но их спины выровнены лишь частично, а сами системы демонстрируют более сильную прецессию.
Это указывает на более динамичную среду. Исследователи предполагают, что такие двойные системы, скорее всего, формируются в густонаселенных областях, например, в шаровых скоплениях, где взаимодействует множество звезд и черных дыр.
В подобных условиях гравитационные взаимодействия могут соединять черные дыры в пары или нарушать существующие пары, что приводит к смешанным ориентациям спинов и более сложному движению, наблюдаемому в данных.
Третья и самая маленькая группа, составляющая около 2,5 процента от общего числа, находится на верхнем конце масс и показывает наиболее сложное поведение. Эти системы часто включают черные дыры неравной массы и демонстрируют сильную прецессию и нерегулярные структуры спинов.
Наиболее вероятное объяснение здесь — иерархические слияния, когда по крайней мере одна из черных дыр сама является продуктом более раннего слияния. Иными словами, это не черные дыры первого поколения, а переработанные, созданные в ходе нескольких раундов столкновений.
Авторы исследования отмечают, что их результаты соответствуют текущей наблюдаемой популяции, возникающей из специфического относительного обилия изолированной двойной эволюции, динамического формирования в шаровых скоплениях и слияний черных дыр высших поколений.
Эта картина из трех семейств предполагает, что слияниями черных дыр управляет не единый универсальный путь, а комбинация различных процессов, которые доминируют при разных условиях.
Это понимание может изменить модели звездной эволюции и помочь ученым лучше понять, где и как черные дыры формируются по всей Вселенной. Оно также дает исследователям более четкую основу для интерпретации будущих обнаружений гравитационных волн.
Однако в то же время картина еще не завершена. Исследователи предполагают, что, хотя статистические доказательства существования трех субпопуляций довольно убедительны, прямая связь каждой группы с единственным каналом формирования остается неопределенной.
Реальные астрофизические среды сложны, и в каждой группе могут перекрываться несколько процессов. С предстоящими сеансами наблюдений коллаборации LIGO-Virgo-KAGRA, которые должны принести еще больше данных, ученые надеются уточнить эти категории и проверить, действительно ли эта модель из трех семейств верна.
Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv.