Про «ієрархічні» чорні діри або ті, що утворилися внаслідок злиття двох чорних дір, які самі є продуктом зіткнення таких об'єктів, ми можемо поки лише здогадуватися. У нас є кілька кандидатів, однак досі було не зрозуміло, як підтвердити їхній статус. У новій роботі, опублікованій у Nature Astronomy, астрономи вирахували необхідні для пошуку параметри та визначили кілька перспективних місць, де такі чорні діри можна буде відшукати.
Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav)
Що за «ієрархічні» чорні діри?
«Головними» по виявленню гравітаційних хвиль — слідів злиття чорних дір (а тепер і чорних зір з нейтронними зорями) є обсерваторії LIGO і Virgo. Вони фіксують збурення гравітаційного поля, що поширюються подібно брижам на поверхні води та, долаючи величезні відстані, є цінним джерелом інформації про події у Всесвіті. Вперше їх помітили 2015 року, а після того вже не одного разу ми «чули» відгуки злиття тіл з масами у кілька десятків сонячних. Втім, ми все ж не бачимо конкретно, хто стикається у космосі, тож покладаємося лише на наші вміння у розшифровуванні почутого. Так після кількох «дивних» сигналів, зафіксованих LIGO і Virgo, астрономи запідозрили, що детектори ловлять не лише так звані зіткнення чорних дір «першого покоління», а і другого - «ієрархічні чорні діри», що утворилися не внаслідок колапсу зірок, а внаслідок зіткнення таких самих об'єктів, та можуть містити залишки попередніх злиттів чорних дір. Внаслідок сформувався навіть новий напрям астрофізичних досліджень — реконструкція «поколінь» чорних дір (reconstruction of the Black Holes` generation). Вчені шукатимуть сліди злиття чорних дір масами у 50 та 120 сонячних, які не завеликі, щоб бути продуктом зоряного колапсу, але достатньо невеликі, щоб бути «наступниками» більш ранніх зіткнень. Важливо відзначити, що на думку теоретиків, для фіксації таких подій не обов'язково знати про те, що знаходиться довкола - детекторам буде достатньо, щоб середовище сприяло утримуванню утворених після зіткнення (першого) чорних дір, а їхні маси і власні швидкості потрапили у визначені ними параметри.
Звідки ми взяли, що вони існують?
Тут потрібно повернутися до двох речей: того, що всі отримані нами результати спостережень LIGO і Virgo залежать від нашої інтерпретації, а також наших знань про еволюцію зірок. Докладніше про друге можна почитати у нашому матеріалі «Як довго живуть зірки?», а якщо коротко, то зорі варто бути далеко за межею Оппенгеймера-Волкова (2,5-3 сонячних мас), щоб перетворитися на чорну діру. Або ж зіткнутися з іншою зорею (для цього також потрібна маса) і внаслідок колапсу також породити чорну діру. Є доволі добре прописані «сценарії» зіткнень, за якими ми власне і відтворюємо учасників події. Так-от з огляду на фізику цих процесів, у нас є два діапазони мас, у яких утворені чорні діри просто не можуть знаходитися — це від 40 до 120 сонячних. І досі нам винятків не траплялося, поки LIGO і Virgo минулого року не зафіксували дивну подію - народження неймовірно важкої чорної діри (142 сонячних!) на неймовірно далекій відстані п'яти гігапарсеків від Землі (майже половина віку Всесвіту!). Подію назвали GW190521 та віднесли до чорних дір проміжної маси — вона у цій категорії стала першою. Дивною її зробило те, що зорі-прародительки могли бути лише масою 66 і 85 мас Сонця, що не узгоджується із раніше визначеними параметрами. Тому звичний сценарій колапсу дуже масивної зірки-матері, яка вичерпала своє ядерне паливо, не підходить і лишається замислюватися про те, що принаймні один з членів загиблої в далекому минулому пари і сам може бути результатом хлиття чорних дір.
Де їх пропонують шукати?
Астрономи відмічають, що такі ієрархічні злиття мають ключові особливості, які задаються самим фактом їх ієрархічності, незалежно від їхнього точного астрофізичного походження. По-перше, такі чорні діри лежатимуть у тому діапазоні мас, який не підходить звичайним подіям. По-друге, власний момент її імпульсу майже повністю визначається кутовим моментом при першому злитті, а тому ми не зможемо говорити про її зіркового попередника. Причому у той же час такі ієрархічній чорній дірі має передатися сильна віддача при злитті, яка перешкоджатиме повторному злиттю. Тож LIGO і Virgo достатньо зафіксувати ці ключові моменти як нарощування маси, залишкове обертання і віддачу від злиття, щоб ми могли ідентифікувати якісь чорні діри як ієрархічні незалежно від деталей конкретного шляху їхнього формування. Перспективними місцями для пошуку дослідники вважають ядерні зоряні скупчення з високою щільністю і високою світністю, акреційні диски та активні галактичні ядра — це найбільш ефективні для утримання продуктів злиття місця. Тож вчені планують взятися за аналіз даних про гравітаційні хвилі з новими обмеженнями, щоб знайти новий вид чорних дір.