Великі чорні діри допомогли вирости маленьким

Чисельне моделювання підтвердило реалістичність механізму прискореного зростання чорних дір зоряних мас, який пов’язаний з впливом надмасивних чорних дір. Відповідно до цієї теорії невеликі чорні діри скупчуються в центрах активних галактик, де з високою ймовірністю можуть зливатися один з одним, причому цей процес може повторюватися безліч разів. В результаті можуть з’являтися об’єкти, маса яких перевищує сонячну в 50 разів і більше, і гравітаційні хвилі від злиття яких вже спостерігаються, а переконливого механізму формування запропоновано не було, пишуть автори в журналі Physical Review Letters .

Чорні діри теоретично можуть мати масу в дуже широкому діапазоні, але згідно з сучасними уявленнями у Всесвіті найбільше чорних дір зоряних мас, які важча за Сонце до декількох десятків разів. Разом з тим вважається, що чорних дірок важче приблизно 40 мас Сонця не повинно виникати в процесі вибухів наднових, так як зірки з більш масивними ядрами повинні закінчувати життя у вигляді парно-нестабільній наднової, в результаті спалаху якої не залишається чорної діри.

Однак дані гравітаційних антен LIGO і Virgo говорять про існування більш масивних чорних дір. Наприклад, оціночна маса більшого об’єкту в злитті GW170729 становить приблизно 50 мас Сонця. Виходить, або сучасні моделі зоряної еволюції потребують суттєвого коригування, або існує ефективний механізм росту чорних дір, який дозволяє їм додатково набрати десятки сонячних мас за обмежений час.

У 2016 році астрофізики запропонували можливий спосіб такого зростання, який полягає в злитті невеликих чорних дір на орбіті навколо надмасивної чорної діри в центрі активної галактики. Для підтримки активності ядра галактики на центральний об’єкт має постійно випадати речовина, яке рухається по спіралі, утворюючи аккреційний диск. За різними оцінками, також в цей рух повинні бути залучені десятки тисяч чорних дір зоряних мас.

Розрахунки фізиків показали, що облік різних впливів, таких як гравітація і тертя об газ, повинні приводити до міграції потрапили в цю область невеликих чорних дір на орбіти з піввіссю близько 300 радіусів центральної діри. Така «міграційна пастка» повинна призводити до збільшення ймовірності злиття, але в цій роботі подібних розрахунків не наводиться.

Астрофізики з Угорщини, Індії та США за участю Імре Бартоша (Imre Bartos) із Флоридського університету вирішили детально дослідити озвучену раніше концепцію за допомогою комп’ютерного моделювання. Автори використовували метод Монте-Карло для симуляції різних дисків активних галактик, в яких створювалося різну кількість об’єктів. З плином часу чорні діри виходили на орбіти, де з високою ймовірністю зливалися з наступними потрапляють в цю ж область. Що виходять в результаті злиття діра залишалася на цій же орбіті і все сильніше виростала від кожного нового об’єкта.

Автори оцінили ймовірності кінцевих мас чорних дір і прийшли до висновку, що 50 мас Сонця рутинно відтворюються в їх моделі, а найбільш важкі зразки виростали аж до 80 сонячних мас. Також вони прийшли до висновку, що вектор власного обертання чорних дір виявляється спрямований у протилежний бік щодо вектора орбітального моменту. Ця ситуація незвичайна і не прогнозується в інших запропонованих механізмах формування подібних об’єктів.

Більш детальні дані про гравітаційні хвилі, які вчені очікують отримати в найближчі роки, будуть досить точні, щоб обчислити величини і напрямки спинив чорних дір до злиття. Таким чином, якщо виявиться, що у найбільш масивних зливаються пар моменти власного і орбітального руху протинаправлені, це стане підтвердженням запропонованої моделі.

Раніше вчені не змогли описати кращого кандидата на парно-нестабільну наднову, використовували гравітаційне лінзування для вимірювання обертання надмасивних чорних дір і дозволили планетам формуватися навколо подібних тіл.