С момента первых обнаружения гравитационных волн наблюдатели накопили десятки подтвержденных слияний черных дыр разной массы. Часть этих объектов укладывается в привычные модели, где черная дыра рождается из коллапса массивной звезды, но для самых огромных светил такой сценарий выглядит недостаточным. Новая работа опирается на общую статистику событий и пытается отделить системы, появившиеся после одного коллапса, от систем, которые прошли через несколько последовательных слияний.

Автор фото: Alain R/Universe Today

Авторы исследования взяли расширенный каталог слияний компактных объектов, зарегистрированных детекторами LIGO и Virgo (и, в более поздних событиях, KAGRA), и построили модель распределения масс участвующих черных дыр. Отдельно они рассмотрели сверхмассивные светила в этой выборке, потому что их массы плохо укладываются в сценарий, где черная дыра появляется сразу после гибели одной звезды.

Статистический анализ показал, что одна и та же функция распределения не описывает все наблюдаемые массы сразу. Для тяжелых черных дыр требуется добавить вклад от другой популяции, которую команда связывает с продуктами предыдущих слияний. Иначе говоря, часть объектов в каталоге выглядит так, будто они уже были результатом более раннего объединения двух меньших черных дыр, а затем сами вошли в новую пару и снова слились.

Чтобы проверить, где такие цепочки столкновений реально возможны, астрономы сопоставили выводы с моделями плотных звездных скоплений. В расчетах именно эти среды дают условия, в которых черные дыры часто сближаются, образуют временные пары и неоднократно объединяются, постепенно наращивая массу. Полученные параметры хорошо согласуются с массами тех черных дыр из каталога гравитационно‑волновых наблюдений, которые рассматриваются как кандидаты на результат повторных слияний.

Авторы работы не отказываются от сценария, в котором часть черных дыр появляется после гибели одиночных звезд. Для менее массивных объектов этого достаточно, чтобы объяснить их массы. Но самые массивные черные дыры в рассмотренной выборке проще описать как результат нескольких последовательных слияний в плотных звездных скоплениях. По мере появления новых гравитационно‑волновых данных ученые планируют уточнить, какая доля известных черных дыр сформировалась именно через такие цепочки слияний.