Частина чорних дір у Всесвіті утворилася не після загибелі масивних зір. Вони виникли внаслідок злиття двох менших попередників. Розрізнити ці два походження вдалося за швидкістю обертання. Виявилося, що таких повторних зіткнень у Всесвіті відбувається значно більше, ніж вважали раніше.
Слід у швидкості обертання
За характеристиками обертання чорної діри можна відтворити її минуле. Після вибуху наднової залишається компактний об’єкт майже без власного спіну, бо зоря-попередниця встигає втратити більшу частину речовини разом із моментом імпульсу. Про це повідомляє Universe Today.
Зовсім інша картина складається під час зіткнення двох таких об’єктів. Енергія орбітального руху переходить у кутовий момент кінцевої чорної діри й та розкручується приблизно до 70 % від максимально можливого значення. Різкий контраст між швидкостями обертання в парі й указує, що один із компонентів уже пройшов через попереднє зіткнення.
Щільні скупчення зір
Ієрархічні злиття потребують особливого середовища. Вони можливі лише там, де світила розташовані надзвичайно тісно, тобто передусім у щільних скупченнях.
Масивні зорі в таких системах вибухають і залишають по собі компактні об’єкти, які продовжують рухатися в загальному гравітаційному полі. Взаємний захват зближує їх у пари, а після подальшого зіткнення процес може повторитися. За словами Кейлін Планкетт із Массачусетського технологічного інституту, в достатньо густому оточенні кількість таких циклів нічим принципово не обмежена.
Хитання орбітальної площини
Докази шукали в каталозі перехідних гравітаційно-хвильових подій (GWTC-4.0), який зібрали під час четвертого сеансу спостережень обсерваторій LIGO, Virgo і KAGRA. Найінформативнішим виявився момент безпосередньо перед зіткненням, коли два компоненти зближуються по спіральній траєкторії.
Якщо осі обертання перпендикулярні до площини орбіти, зближення відбувається рівномірно. За іншого нахилу площина починає хитатися, а характер цього коливання показує співвідношення мас і кутових моментів пари.
Розрахунки Кейлін Планкетт, Томаса Каллістера з Вільямс-коледжу, Майкла Зевіна з планетарію Адлера в Чикаго та Сальваторе Вітале з Массачусетського технологічного інституту показали, що близько 14 % чорних дір у зареєстрованих подіях проходили через таке злиття щонайменше двічі. Робота опублікована в рецензованому журналі Physical Review Letters.
Розрив у розподілі мас
Розподіл за масою підтверджує цю картину. Об’єкти близько 10 і 30 сонячних мас найімовірніше з’явилися після вибухів наднових, тоді як значення 20 і 40 та вище припадають переважно на друге покоління.
Теорія зоряної еволюції передбачає, що вибух дуже масивної зорі взагалі не залишає компактного залишку важчого приблизно за 45 мас Сонця. Проте такі об’єкти реєструють.
Найвідоміший приклад дала подія GW190521 у 2019 році, коли гравітаційні хвилі показали зіткнення двох чорних дір масою близько 85 і 66 сонячних з утворенням об’єкта в 142 маси Сонця. Важчий компонент тієї пари потрапляв у діапазон, недоступний для звичайного колапсу зорі, та ієрархічний сценарій пояснює його походження без перегляду моделей загибелі світил.
