Большие черные дыры помогли вырасти маленьким

Численное моделирование подтвердило реалистичность механизма ускоренного роста черных дыр звездных масс, который связан с влиянием сверхмассивных черных дыр. Согласно этой теории небольшие черные дыры скапливаются в центрах активных галактик, где с высокой вероятностью могут сливаться друг с другом, причем этот процесс может повторяться множество раз. В результате могут появляться объекты, масса которых превышает солнечную в 50 раз и больше, и гравитационные волны от слияния которых уже наблюдаются, а убедительного механизма формирования предложено не было, пишут авторы в журнале Physical Review Letters.

Черные дыры теоретически могут обладать массой в очень широком диапазоне, но согласно современным представлениям во Вселенной больше всего черных дыр звездных масс, которые тяжелее Солнца до нескольких десятков раз. Вместе с тем считается, что черных дыр тяжелее примерно 40 масс Солнца не должно возникать в процессе взрывов сверхновых, так как звезды с более массивными ядрами должны заканчивать жизнь в виде парно-нестабильной сверхновой, в результате вспышки которой не остается черной дыры.

Однако данные гравитационных антенн LIGO и Virgo говорят о существовании более массивных черных дыр. Например, оценочная масса более крупного объекта в слиянии GW170729 составляет примерно 50 масс Солнца. Выходит, либо современные модели звездной эволюции нуждаются в существенной корректировке, либо существует эффективный механизм роста черных дыр, который позволяет им дополнительно набрать десятки солнечных масс за ограниченное время.

В 2016 году астрофизики предложили возможный способ такого роста, который заключается в слиянии небольших черных дыр на орбите вокруг сверхмассивной черной дыры в центре активной галактики. Для поддержания активности ядра галактики на центральный объект должно постоянно выпадать вещество, которое движется по спирали, образуя аккреционный диск. По различным оценкам, также в это движение должны быть вовлечены десятки тысяч черных дыр звездных масс.

Расчеты физиков показали, что учет разных воздействий, таких как гравитация и трение о газ, должны приводить к миграции попавших в эту область небольших черных дыр на орбиты с полуосью порядка 300 радиусов центральной дыры. Такая «миграционная ловушка» должна приводить к увеличению вероятности слияния, но в этой работе подобных расчетов не приводится.

Астрофизики из Венгрии, Индии и США при участии Имре Бартоша (Imre Bartos) из Флоридского университета решили подробно исследовать озвученную ранее концепцию при помощи компьютерного моделирования. Авторы использовали метод Монте-Карло для симуляции различных дисков активных галактик, в которых создавалось разное количество объектов. С течением времени черные дыры выходили на «ловушечные» орбиты, где с высокой вероятностью сливались со следующими попадающими в эту же область. Получающаяся в результате слияния дыра оставалась на этой же орбите и все сильнее вырастала от каждого нового объекта.

Авторы оценили вероятности конечных масс черных дыр и пришли к выводу, что 50 масс Солнца рутинно воспроизводятся в их модели, а наиболее тяжелые образцы вырастали вплоть до 80 солнечных масс. Также они пришли к выводу, что вектор собственного вращения получающихся черных дыр оказывается направлен в противоположную сторону относительно вектора орбитального момента. Эта ситуация необычна и не прогнозируется в других предложенных механизмах формирования подобных объектов.

Более детальные данные о гравитационных волнах, которые ученые ожидают получить в ближайшие годы, будут достаточно чувствительны, чтобы вычислить величины и направления спинов черных дыр до слияния. Таким образом, если окажется, что у наиболее массивных сливающихся пар моменты собственного и орбитального движения противонаправлены, это станет подтверждением предложенной модели.

Ранее ученые не смогли описать лучшего кандидата на парно-нестабильную сверхновую, использовали гравитационное линзирование для измерения вращения сверхмассивных черных дыр и разрешили планетам формироваться вокруг подобных тел.

Тимур Кешелава