Астрономы разделили сливающиеся черные дыры на три вида по данным LIGO-Virgo-KAGRA
Гравитационная арифметика.
Астрономы из коллаборации LIGO-Virgo-KAGRA, анализируя данные гравитационных волн, обнаружили, что сливающиеся двойные черные дыры делятся на три различные категории с уникальными массами, спина́ми и скоростями слияния. Исследование, результаты которого были отправлены на сервер препринтов arXiv, показало, что эти субпопуляции, вероятно, соответствуют разным механизмам образования: от эволюции изолированных двойных звезд до слияний в плотных звездных скоплениях и иерархических каскадов.
Новый анализ данных четвертого каталога гравитационных волн GWTC-4, собранного коллаборацией LIGO-Virgo-KAGRA и включающего более 150 обнаруженных слияний черных дыр, позволил ученым сделать важный вывод о неоднородности происхождения этих объектов. Если бы все слияния происходили по единому сценарию, распределение ключевых параметров было бы гладким и равномерным.
Однако реальные данные продемонстрировали явные аномалии: заметные пики в распределении масс около 10 и 35 солнечных масс, а также резкие изменения в поведении спино́в и соотношениях масс вблизи значений 20 и 40 солнечных масс. Эти особенности указали на существование как минимум трех различных субпопуляций, каждая из которых формируется под влиянием доминирующего, но разного астрофизического механизма.
Cпин (или вращение) — это фундаментальная характеристика черной дыры, описывающая ее момент импульса. Простыми словами, это то, с какой скоростью и в каком направлении вращается сама черная дыра вокруг своей оси. Спин критически важен для астрофизиков, поскольку его значение и ориентация относительно орбиты двойной системы служат своеобразной «отпечатком пальца», указывающим на происхождение системы. Например, медленное вращение и спины́, выровненные с орбитой (как в первой, самой массовой группе), говорят о спокойной эволюции изолированной двойной звезды. Напротив, наличие невыровненных или хаотично ориентированных спинов (как во второй и третьей группах) свидетельствует о бурном прошлом: гравитационных взаимодействиях в плотных звездных скоплениях или иерархических слияниях, где черные дыры сталкиваются под разными углами. Таким образом, анализируя поведение спинов, ученые могут реконструировать историю формирования сливающихся пар.
Чтобы понять природу этих групп, исследователи смоделировали свойства двойных систем, включая массы, спиновое поведение и скорости слияния, и сопоставили полученные параметры с теоретическими предсказаниями. В результате вся наблюдаемая популяция была объяснена как смесь трех различных типов двойных черных дыр.
Первая и самая многочисленная группа составляет подавляющие 79% от общего числа обнаруженных слияний. Эти системы характеризуются относительно маломассивными черными дырами с резким пиком около 10 солнечных масс. Они вращаются медленно, демонстрируют очень незначительные колебания, а их спины́ выровнены с орбитой. Такое упорядоченное и спокойное поведение убедительно указывает на формирование в результате эволюции изолированной двойной системы. Иными словами, две звезды, родившиеся в паре, последовательно прошли стадии обмена массой и коллапсировали в черные дыры, которые в итоге слились без значительного внешнего влияния.
Вторая субпопуляция, составляющая около 14,5% от всех обнаруженных двойных систем, объясняет заметную особенность в районе 35 солнечных масс. Здесь черные дыры имеют почти равные массы, а их спины́ демонстрируют равную долю выровненных и невыровненных относительно орбиты компонентов. При этом в системе наблюдается значительно большая хаотичность и вибрация по сравнению с первой группой. Исследователи связывают эти черные дыры промежуточной массы с формированием в переполненной среде, такой как шаровое скопление. Кроме того, аналогичные свойства могли возникнуть у пары черных дыр, находящихся под гравитационным влиянием третьего удаленного массивного объекта.
Третья, самая редкая популяция насчитывает всего лишь 2,5% от общего числа слияний и занимает верхнюю часть распределения масс. В этих системах присутствуют черные дыры с заметно различающимися массами, которые демонстрируют сложное вращение и выраженные колебания. Такие характеристики позволяют предположить, что эти объекты образовались в результате иерархических слияний, когда по крайней мере одна из черных дыр сама является продуктом более раннего слияния. Это указывает на многопоколенческий каскад слияний, возможно, в динамически активных звездных системах.
Таким образом, анализ гравитационно-волновых данных позволил статистически надежно выделить три субпопуляции сливающихся двойных черных дыр, различающихся по массам, вращению и частоте событий.
Хотя ученые и связывают эти группы с эволюцией изолированных двойных звезд, динамикой в плотных скоплениях и иерархическими слияниями, они подчеркивают, что прямая причинно-следственная связь между субпопуляциями и конкретными каналами формирования пока остается не до конца ясной. Авторы работы надеются, что будущие публикации данных коллаборации LIGO-Virgo-KAGRA позволят получить более убедительные и однозначные выводы о происхождении этих загадочных космических объектов.
Научная публикация:
Anarya Ray, Shirsha Mukherjee, Michael Zevin, Vicky Kalogera, On the Astrophysical Origin of Binary Black Hole Subpopulations: A Tale of Three Channels?, arXiv (2026). DOI: 10.48550/arxiv.2603.17987
Присоединяйтесь к нам в соцсетях
