Рынок или ателье: как образуются огромные черные дыры

Черная дыра — как изящный смокинг, в который наряжается материя на прощальную вечеринку длиной в вечность. Самый быстрый способ получить смокинг — сшить самостоятельно. Этим и занимаются звезды, когда коллапсируют в черную дыру. Проблема в том, что если размеры звезды велики, ей сложновато будет найти ткань на свои габариты. Астрономы считают, что если масса звезды превышает 65−70 масс Солнца, шансов стать черной дырой путем коллапса у нее нет. Но как же тогда образуются черные дыры с массой в сотни, тысячи и миллионы солнечных масс?

Маленькие черные дыры могут превращаться в большие в процессах слияния. Ученые рассматривают два возможных пути.

Первый способ слияния известен как процесс с общей оболочкой. Две соседние звезды с примерно одинаковой массой могут практически одновременно дожечь ядерное топливо, поддаться силам сжатия и превратиться в две соседние черные дыры. В этом случае они будут иметь общую оболочку или газовый диск. Черная дыра рядом — как личное ателье в соседнем доме. Примерка за примеркой и спустя несколько миллиардов лет идеальный смокинг готов — черные дыры сольются друг с другом, постепенно сближаясь по спирали.

Другой распространенный путь слияния черных дыр — динамические взаимодействия в тех областях космоса, где на ограниченной, довольно малой территории находятся тысячи черных дыр. Напоминает рынок, не правда ли? Как только черная дыра захочет смокинг побольше и найдет нужного «продавца», другая черная дыра, оказавшаяся поблизости может нарушить гравитационный контакт, зазывая к себе в палатку. Метания от одной черной дыры к другой может длиться миллионы лет, прежде чем слияние с какой-то из них все-таки произойдет. В этом случае, как и в первом, массы черных дыр должны быть примерно одинаковыми, а вращение и скорость перед слиянием — минимальными.

12 апреля 2019 года астрономы наткнулись на событие, абсолютно не удовлетворяющее условиям обоих сценариев слияния. Детекторы LIGO и Virgo зарегистрировали гравитационные волны от слияния черных дыр Давида и Голиафа, одна из которых была в 3 раза массивнее другой. Сигнал обозначили GW190412 и вскоре обнаружили, что более тяжелая черная дыра сильно вращалась. Это означало, что ни один путь слияния черных дыр: «ателье» или «рынок» был невозможен.

В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, ученые провели моделирование слияния GW190412, которое только на миллионном по счету прогоне выдало сценарий «ателье космических смокингов». Еще реже встречалось слияние в скоплении черных дыр. Когда астрономы убедились, что нужно искать другой путь, то предложили иерархическую гипотезу.

Исследователи предположили, что более массивный Голиаф сам был результатом более раннего слияния двух черных дыр. В результате этого слияния черную дыру должно было сильно отбросить и закрутить. Это означает, что среда, в которой позже возник объект GW190412, обладала огромным гравитационным притяжением, иначе Голиаф улетел бы в пустынные просторы космоса. Средой, которая не отпустила новорожденную черную дыру в неизвестность, мог быть либо газовый диск вокруг сверхмассивной черной дыры, либо очень плотное скопление огромного числа звезд. Это накладывает новые условия на формирование крупных черных дыр и, возможно, однажды приведет к ответу на вопрос о том, откуда взялись черные дыры массой в миллиарды Солнц.