В 2019 году астрономы наблюдали необычный гравитационный сигнал. Известный как GW190521, это был последний вопль гравитационных волн, когда черная дыра массой 66 солнечных масс слилась с черной дырой массой 85 солнечных и стала черной дырой массой 142 солнечных. Данные соответствовали всем другим слияниям черных дыр, которые мы наблюдали. Была только одна проблема: черная дыра массой 85 солнечных не должна существовать.
Все наблюдаемые нами слияния черных дыр связаны с черными дырами звездной массы. Они образуются, когда массивная звезда взрывается как сверхновая, а ее ядро коллапсирует, превращаясь в черную дыру. Старая звезда должна быть по крайней мере в десять раз больше массы Солнца, чтобы стать сверхновой, которая может создать черную дыру массой около 3 солнечных. Звезды большего размера могут до некоторой степени создавать более крупные черные дыры.
Первое поколение звезд в космосе, вероятно, имело сотни солнечных масс. Для звезды с массой более 150 солнечных масс или около того возникшая сверхновая будет настолько мощной, что ее ядро подвергнется так называемой парной нестабильности. Гамма-лучи, образующиеся в ядре, будут настолько интенсивными, что распадутся на пару электрон-позитрон. Тогда высокоэнергетические лептоны разорвут ядро прежде, чем гравитация сможет его разрушить. Чтобы преодолеть парную нестабильность, звезде-прародителю потребуется масса в 300 Солнц или более. Это означает, что в диапазоне масс звездных черных дыр существует «разрыв парной нестабильности». Черные дыры от 3 до 65 солнечных масс могли бы образоваться из обычных сверхновых, а черные дыры с массами более 130 солнечных могли бы образоваться в результате коллапса звезды, но черные дыры с массами от 65 до 130 солнечных не должны существовать.
Для GW190521 черная дыра массой 66 солнечных достаточно близка к пределу, при котором она, вероятно, образовалась из одной звезды. С другой стороны, черная дыра массой 85 солнечных находится в середине запрещенного диапазона. Некоторые астрономы утверждают, что более крупная черная дыра могла образоваться из гипотетической бозонной звезды, известной как звезда Прока, но если это правда, то GW190521 является единственным доказательством существования звезд Прока. Более вероятно, что черная дыра массой 85 солнечных образовалась в результате слияния двух меньших черных дыр, что делает GW190521 поэтапным слиянием. Трудность этой идеи заключается в том, что слияния черных дыр часто бывают асимметричными, то есть образовавшаяся черная дыра выбрасывается из области своего происхождения. Множественные слияния черных дыр могут произойти только при определенных обстоятельствах, и именно здесь показано новое исследование в Астрофизический журнал входит.
Авторы рассмотрели, как масса, спин и движение сливающейся пары черных дыр определяют массу, спин и скорость отдачи образовавшейся черной дыры. Создав статистическое распределение результатов, команда могла бы работать в обратном направлении. Учитывая массу, вращение и скорость «запрещенной» черной дыры относительно ее окружающей среды, каковы были свойства ее предков? Когда авторы применили это к прародителям GW190521, они обнаружили, что единственно возможные предки имели относительно большую скорость отдачи. Это означает, что слияние должно было произойти в области активного галактического ядра, где гравитационная яма была бы достаточно сильной, чтобы удержать систему вместе.
Эта работа имеет значение для так называемых черных дыр промежуточной массы (ЧДД), которые могут иметь массы в сотни или тысячи Солнц. Считалось, что IMBH образуются внутри шаровых скоплений, но если скорости отдачи при слиянии черных дыр велики, это было бы маловероятно. Как показывает это исследование, GW190521 не мог возникнуть в шаровом скоплении.
Ссылка: Араужо-Альварес, Карлос и др. «Отбрасывая время назад в слияниях черных дыр: предковые массы, вращения, отдачи от рождения и жизнеспособность иерархической формации GW190521». Астрофизический журнал 977,2 (2024): 220.
