Гравитационные волны указали на иерархические слияния как основной путь формирования массивных черных дыр
Международная группа исследователей под руководством ученых Кардиффского университета обнаружила, что массивные черные дыры во Вселенной формируются не при прямом коллапсе звезд, а в результате иерархических каскадных столкновений в плотных звездных скоплениях. Ученые проанализировали 153 достоверных сигнала гравитационных волн от слияний черных дыр, содержащихся в каталоге GWTC-4 обсерваторий LIGO, Virgo и KAGRA. Результаты этой работы были опубликованы в журнале Nature Astronomy.
Новое исследование существенно меняет представление о происхождении массивных черных дыр, которые образуются после смерти крупных звезд, и регистрируются по гравитационно-волновой ряби в пространстве-времени. Используя данные каталога GWTC-4, включающего 153 надежно подтвержденных события слияния черных дыр, команда проверила гипотезу, согласно которой наиболее тяжелые объекты возникают не из одиночных массивных звезд, а являются черными дырами второго или более поздних поколений. Такие объекты появляются в результате повторяющихся слияний своих предшественников в крайне насыщенных ядрах звездных скоплений, где плотность звезд может в миллион раз превышать плотность в окрестностях Солнца.
В ходе анализа данных ученые четко выделили две различные популяции черных дыр. Первая группа включает объекты с относительно небольшой массой, которые, как ожидается, образуются при обычном гравитационном коллапсе звезд. Вторая группа состоит из гораздо более массивных черных дыр. Ключевым отличием последних оказались параметры их вращения: в отличие от медленно вращающихся черных дыр из первой популяции, массивные объекты демонстрируют более быстрое и, что особенно важно, случайным образом ориентированное вращение.
Именно эта характеристика является прямым признаком иерархических слияний в плотных звездных средах, где черные дыры многократно сталкиваются, объединяются и затем снова вступают во взаимодействие с другими объектами. Соавтор исследования Изобель Ромеро-Шоу подчеркивает, что ранее подобная четкая картина отсутствовала, и новая работа делает сценарий происхождения из звездных скоплений гораздо более убедительным.
Кроме того, ученым удалось получить наиболее весомые на сегодняшний день доказательства существования так называемого разрыва масс, давно предсказанного теорией нестабильности пар. Этот разрыв представляет собой диапазон масс, в котором сверхмассивные звезды не коллапсируют в черные дыры, а полностью разрушаются в катастрофическом взрыве. Исследователи определили этот порог на уровне около 45 солнечных масс.
Забавно, что гравитационные детекторы все же находят черные дыры, чья масса попадает в этот запрещенный интервал или находится рядом с ним. Это ставит перед астрофизиками острый вопрос: либо существующие модели звездной эволюции требуют пересмотра, либо эти объекты действительно не могут быть черными дырами первого поколения и формируются другим путем.
Авторы исследования склоняются ко второму варианту, утверждая, что самые крупные черные дыры из текущей выборки «рассказывают» нам прежде всего о динамике взаимодействий в густонаселенных скоплениях, а не только об эволюции одиночных звезд. При массе свыше 45 масс Солнца характер распределения скоростей вращения резко меняется, и этот переход, по словам исследователей, невозможно объяснить в рамках классических двойных звездных систем.
Самые тяжелые черные дыры, которые мы сейчас можем «взвесить» по гравитационным волнам (то есть до ~150 масс Солнца), не рождаются из одиночных звезд, а вырастают через слияния в скоплениях. Это уточняет эволюцию черных дыр звездного и промежуточного диапазона (сотни масс).
А вот сверхмассивные черные дыры — это отдельная задача. Их «семена» могли быть результатом тех же процессов (например, слияний в плотных скоплениях ранней Вселенной), но их дальнейший рост до миллиардов масс обеспечивается газовой аккрецией в масштабах целых галактик и слияниями самих галактик. Можно сказать, что это совершенно иной уровень «аппетита» и иные временные масштабы.
Дополнительным открытием стало то, что этот массовый порог чувствителен к ядерным реакциям горения гелия в недрах массивных звезд, открывая принципиальную возможность использовать гравитационно-волновые наблюдения для изучения ядерной физики звезд.
В итоге исследование показало, что самые крупные из известных черных дыр формируются не при гибели одиночных звезд, а в результате многократных и хаотических слияний в сверхплотных звездных скоплениях, где их быстрое и разнонаправленное вращение служит однозначным «почерком» такого происхождения. Кроме того, работа впервые с высокой степенью достоверности подтвердила существование предсказанного разрыва масс около 45 солнечных масс, ниже которого черные дыры рождаются из звезд, а выше — требуют принципиально иных механизмов рождения.
Научная публикация:
Antonini, F., Romero-Shaw, I.M., Callister, T. et al. Gravitational-wave constraints on the pair-instability mass gap and nuclear burning in massive stars. Nat Astron (2026). https://doi.org/10.1038/s41550-026-02847-0
Присоединяйтесь к нам в соцсетях
