Астрономы подтвердили существование загадочной популяции черных дыр, массы которых слишком велики для образования от обычных звезд, но слишком малы для сверхмассивных объектов в центрах галактик. Эти «облегченные» гиганты заполняют пробел между двумя хорошо известными классами — звездными черными дырами (до 50 солнечных масс) и сверхмассивными (миллионы масс Солнца).
Согласно новому исследованию, опубликованному в Astrophysical Journal Letters, пять черных дыр, обнаруженных детекторами LIGO и Virgo, имеют массы от 110 до 350 солнечных масс. Это делает их самыми тяжелыми источниками гравитационных волн, зарегистрированными на сегодня.
«Черные дыры — это космические „окаменелости“, которые помогают понять, как умирали первые звезды», — объясняет астрофизик Каран Джани из Инициативы Лунных лабораторий Университета Вандербильта.
Существование черных дыр промежуточной массы долго оставалось гипотезой. Их крайне трудно обнаружить, потому что сигналы от таких объектов находятся в низкочастотной области спектра, где наземные детекторы, вроде LIGO и Virgo, часто заглушаются шумами. Тем не менее, команда ученых применила байесовский алгоритм RIFT и три модели волновых форм, чтобы точно выделить такие слияния даже из слабых или коротких сигналов.
Как формируются такие черные дыры?
Обычные звезды не могут образовать черные дыры массой от 60 до 120 солнечных масс — при таких условиях их ядра становятся неустойчивыми из-за парного рождения частиц и взрываются как сверхновые.
Однако новое исследование показало, что как минимум один из объектов, участвовавших в слиянии, имел массу, попадающую в этот «запретный» диапазон, а еще два — даже превышали его. Это указывает на то, что такие черные дыры могли сформироваться не напрямую из звезд, а в результате многократных слияний меньших черных дыр.
Это поддерживает гипотезу о иерархических слияниях: меньшие черные дыры могут сливаться друг с другом в плотных скоплениях, постепенно образуя более крупные. Такой «рост» объясняет появление промежуточных черных дыр и их необычные свойства, например, вектор вращения, направленный в сторону, противоположную орбите, что указывает на динамическое происхождение.
Как ловят гравитационные волны?
Гравитационные волны — это «рябь» в пространстве-времени, возникающая при слиянии массивных тел. Такие волны LIGO и Virgo фиксируют в виде колебаний длительностью менее секунды, по которым можно рассчитать массы и параметры объектов.
В исследуемом наборе данных ученые обнаружили 11 слияний, где суммарная масса систем превышала 100 солнечных масс. Пять из них, с вероятностью более 95%, оставили после себя промежуточные черные дыры.
Сейчас основная проблема — чувствительность наземных детекторов. Но в будущем подключатся космические обсерватории, такие как LISA (планируемый запуск — середина 2030-х годов). Она будет улавливать низкочастотные волны, которые LIGO не может засечь, и отслеживать слияния за годы до их столкновения, а не только в последние секунды.
«Доступ к более низким частотам даже с Луны может позволить нам определить, в какой среде обитают эти черные дыры», — говорит Анджали Еликар, участвующая в разработке лунных детекторов.
Одна из зафиксированных волн пролетела 37 миллиардов световых лет (в пересчете с учетом расширения Вселенной), чтобы достичь Земли. Это делает событие одним из самых далеких, когда-либо наблюдавшихся через гравитационные волны.
«Мы надеемся, что наше исследование укрепит аргументы в пользу существования промежуточных черных дыр как одного из самых интересных источников в сети детекторов», — говорит ведущий автор Кристал Руис-Роша из Университета Вандербильта.