Астрономы, анализирующие данные о гравитационных волнах, полученные в рамках коллаборации LIGO-Virgo-KAGRA, сообщили, что сливающиеся двойные черные дыры можно разделить на три отдельные категории. Исследование показывает, что эти три подгруппы имеют свои характерные массы, особенности вращения и частоту слияния, что, вероятно, связано с различными доминирующими механизмами их образования.
Неравномерное распределение масс сливающихся черных дыр
Данные четвертого каталога гравитационных волн (GWTC-4), опубликованного коллаборацией LIGO-Virgo-KAGRA, содержали более 150 зарегистрированных слияний черных дыр. Анализ этого набора данных показал, что общая популяция сливающихся двойных черных дыр, возможно, имеет различное происхождение.
Когда исследователи проанализировали распределение масс черных дыр в этой популяции, они обнаружили явные пики вблизи значений 10 и 35 солнечных масс. Подобные особенности наблюдались также в поведении вращений и соотношений масс систем, с заметными изменениями вблизи значений 20 и 40 солнечных масс. Если бы все слияния происходили по одному и тому же процессу, ожидалось бы более равномерное распределение. Эти особенности свидетельствуют о том, что слияния черных дыр могут происходить по разным механизмам образования.
В новом исследовании ученые смоделировали ключевые свойства, такие как массы, поведение спина и частота слияний, чтобы воспроизвести наблюдаемые характеристики общей популяции, и выяснили, что это лучше всего объясняется как смесь трех различных групп двойных черных дыр. Затем они сопоставили значения параметров, отражающих свойства каждой группы, с теоретическими прогнозами, чтобы определить наиболее вероятный путь их формирования.
Три подгруппы: тяжелые, более тяжелые, самые тяжелые
Первая группа двойных черных дыр, составляющая 79 % от общего числа, демонстрирует резкий пик в диапазоне около 10 солнечных масс. Эти черные дыры с малой массой — это медленно вращающиеся системы с минимальными колебаниями. Их оси вращения также совпадают с орбитой. Все эти особенности указывают на то, что эти двойные черные дыры, вероятно, образовались в результате изолированной эволюции двойной системы. То есть когда две звезды, родившиеся как пара, эволюционируют, обмениваются массой и коллапсируют в черные дыры, которые сливаются, без внешнего воздействия.
Вторая подгруппа двойных черных дыр составляет почти 14,5 % всех обнаруженных двойных систем и объясняет заметную особенность в наблюдательных данных в диапазоне около 35 солнечных масс. Команда обнаружила, что эти двойные системы содержат черные дыры почти одинаковой массы, а доли вращений черных дыр, выровненных и невыровненных относительно орбиты, равномерны, причем колебания в них сильнее, чем в первой группе. Эти черные дыры средней массы демонстрируют признаки более хаотичного происхождения по сравнению с первой группой.
Исследователи предполагают, что эти двойные системы, вероятно, образовались в переполненной среде, такой как шаровое скопление. Они утверждают, что пара черных дыр, на которую влияет третий удаленный объект, также могла бы образовать эти двойные черные дыры.
Наконец, третья группа, которая составляет всего 2,5 % от общего количества, находится в верхней части распределения масс. Эти системы содержат черные дыры с разной массой и демонстрируют сложную динамику вращения с заметным колебанием. Исследователи предполагают, что они, вероятно, образовались в результате иерархического слияния, причем, по крайней мере, одна из черных дыр является остатком предварительного слияния.
Проверка теории
Однако исследователи отмечают, что эти каналы формирования, вероятно, доминировали в каждой подгруппе, но могут быть и другие процессы.
«Хотя эти выводы достаточно надежны, прямая связь между субпопуляциями и отдельными каналами остается невыясненной», — пишут они в своей статье. Учитывая будущие публикации данных, полученных в рамках сотрудничества LIGO-Virgo-KAGRA, они имеют целью получить более убедительные результаты относительно того, как формируются эти различные популяции сливающихся черных дыр.
По материалам phys.org
