Анализ гравитационных волн показывает, что часть черных дыр в сливающихся парах уже могла быть продуктом прошлых столкновений. Такой путь называют иерархическим слиянием: две черные дыры образуют более массивную, а затем она снова входит в пару и сливается еще раз.
Материал Universe Today пересказывает работу группы, в которую входят Сальваторе Витале и Кейлин Планкетт из MIT, Томас Каллистер из Williams College и Майкл Зевин из планетария Adler в Чикаго. Команда изучала каталог LIGO-Virgo-KAGRA GWTC-4.0, собранный по событиям четвертого наблюдательного цикла. Цель была не просто посчитать слияния, а найти признаки происхождения самих черных дыр.
Главная подсказка здесь — вращение. Черная дыра, которая родилась после коллапса массивной звезды и взрыва сверхновой, по ожиданиям часто должна иметь небольшой спин. Но если черная дыра уже появилась при предыдущем слиянии двух меньших объектов, результат должен вращаться намного быстрее. В источнике приводится оценка Витале: такая черная дыра может иметь спин около 70 процентов от максимально возможного.
Еще один диагностический признак связан с прецессией орбиты перед слиянием. Когда спины черных дыр не направлены перпендикулярно плоскости орбиты, система начинает заметно покачиваться. Это покачивание оставляет след в форме гравитационно-волнового сигнала и помогает оценить массы и спины компонентов пары.
По данным команды, в GWTC-4.0 есть набор событий, где такое орбитальное покачивание хорошо согласуется с парой из черной дыры первого поколения и черной дыры второго поколения. Если перенести результат на всю популяцию наблюдаемых слияний, получается, что примерно 14 процентов сливающихся черных дыр могли пройти через подобный путь не меньше двух раз.
Это важно для объяснения слишком массивных черных дыр звездной массы. В источнике отмечается, что объекты с массами около 10 и 30 масс Солнца хорошо укладываются в происхождение от сверхновых. А черные дыры примерно в 20, 40 масс Солнца и выше чаще выглядят как кандидаты на повторные слияния. Особенно интересна область выше примерно 45 масс Солнца: теория эволюции очень массивных звезд допускает, что такие взрывы могут не оставлять обычных черных дыр.
Наиболее вероятные места для такого сценария — плотные звездные скопления и другие тесные области галактик. Там много массивных звезд, а после их гибели остается много черных дыр, которые продолжают двигаться в общей гравитационной среде, захватывать друг друга и сливаться. Для астрономов это способ восстанавливать историю черных дыр не по свету, а по массе, спину и форме гравитационной волны.
