Самые большие черные дыры во Вселенной могут образовываться в результате жестоких столкновений

Самые большие черные дыры во Вселенной могут быть космическими «Франкенштейнами», возникшими в результате многократных столкновений, а не прямого коллапса звезд.

Возможно, самые большие черные дыры во Вселенной вовсе не являются «рожденными гигантами». Ученые, анализирующие гравитационные волны от десятков столкновений черных дыр, обнаружили доказательства того, что самые тяжелые черные дыры, скорее всего, являются «космическими утилизаторами» — они образуются в результате многократных столкновений в невероятно плотных звездных скоплениях. Эти бурные цепные реакции, по-видимому, приводят к образованию особого класса быстро вращающихся черных дыр, которые отличаются от обычных черных дыр, формирующихся при гибели звезд.

Ученые, изучающие гравитационные волны, полагают, что они, возможно, нашли объяснение тому, как во Вселенной образуются самые большие черные дыры. Вместо того чтобы формироваться непосредственно из коллапсирующих звезд, эти огромные объекты, по всей видимости, растут в результате повторяющихся столкновений черных дыр в чрезвычайно плотных звездных скоплениях.

Новое исследование, проведенное Кардиффским университетом, было посвящено версии 4.0 каталога гравитационно-волновых переходных процессов LIGO-Virgo-KAGRA (GWTC4), в котором содержится 153 достоверных наблюдения за слиянием черных дыр.

Исследователи задались вопросом, могут ли самые крупные черные дыры в каталоге быть объектами «второго поколения». Согласно этой гипотезе, черные дыры, образовавшиеся из умирающих звезд, сталкиваются друг с другом, а затем снова сливаются в плотных звездных скоплениях, где плотность звезд в миллион раз выше, чем вокруг нашего Солнца.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Astronomy, позволяют предположить, что самые массивные чёрные дыры, обнаруженные с помощью гравитационных волн, относятся к отдельному классу и имеют совсем другую историю, нежели чёрные дыры меньшего размера.

Гравитационные волны выявили две популяции черных дыр

«Гравитационно-волновая астрономия теперь занимается не только подсчетом слияний черных дыр», — объясняет ведущий автор исследования доктор Фабио Антонини из Школы физики и астрономии Кардиффского университета.

«Мы начинаем понимать, как растут черные дыры, где они образуются и что это говорит нам о жизни и смерти массивных звезд. Это очень интересно, потому что мы можем использовать эту информацию, чтобы проверить наши представления о том, как во Вселенной эволюционируют звезды и звездные скопления».

Проанализировав сигналы гравитационных волн, ученые выделили две отдельные группы:

популяция с меньшей массой, соответствующая обычному коллапсу звезд
популяция с большей массой, спины звезд в которой в точности соответствуют ожидаемым при иерархических слияниях в плотных звездных скоплениях

По словам исследователей, поведение более массивных черных дыр при вращении было особенно показательным.

«Больше всего нас удивило то, насколько четко черные дыры с большой массой выделяются как отдельная группа», — вспоминает соавтор исследования доктор Изобель Ромеро-Шоу, научный сотрудник Кардиффского университета.

«В отличие от систем с меньшей массой, которые мы анализировали и которые, как правило, вращаются медленно, системы с большей массой вращаются быстрее и ориентированы, казалось бы, в случайных направлениях. Именно такие признаки можно было бы ожидать, если бы черные дыры постоянно сливались в плотных звездных скоплениях».

«Это делает гипотезу о происхождении скопления гораздо более убедительной, чем в случае с более ранними каталогами.»

Доказательства существования «массового разрыва» в черных дырах

Исследование также подтверждает существование загадочного «массового разрыва», о котором астрофизики говорили десятилетиями. Согласно этой теории, звезды, превышающие определенный размер, должны взрываться с такой силой, что полностью разрушаются, а не превращаются в черные дыры.

Это создало бы запретный диапазон, в котором не должно было бы существовать черных дыр, образовавшихся непосредственно из звезд.

Исследователи обнаружили этот переход в черных дырах с массой примерно в 45 раз больше массы Солнца.

Доктор Антонини сказал: «В нашем исследовании мы нашли подтверждение давно предсказанному разрыву в массе, связанному с парной нестабильностью, — диапазону масс, при которых звезды не должны оставлять после себя черные дыры. Детекторы гравитационных волн успешно обнаружили черные дыры, которые, судя по всему, находятся в этом разрыве или рядом с ним, который мы определяем как область масс около 45 солнечных».

Итак, ключевой вопрос сейчас заключается в следующем: говорят ли нам эти черные дыры о том, что наши модели звездной эволюции неверны, или дело в чем-то другом?

«Судя по всему, самые большие черные дыры в текущей выборке свидетельствуют о динамике кластеров, а не только об эволюции звезд.

«При массе, превышающей 45 масс Солнца, распределение спинов меняется таким образом, что это трудно объяснить с помощью обычных двойных звезд, но вполне естественно, если предположить, что эти черные дыры уже участвовали в слияниях в плотных скоплениях».

Черные дыры могут помочь ученым в изучении ядерной физики

По словам исследователей, эти открытия в конечном итоге могут помочь ученым в изучении процессов, происходящих глубоко внутри массивных звезд.

Команда использовала переход в области массового разрыва для изучения важной ядерной реакции, связанной с горением гелия в ядрах звезд.

«В будущем данные о гравитационных волнах могут помочь ученым в изучении ядерной физики, поскольку предел массы, обусловленный парной нестабильностью, зависит от ядерных реакций, происходящих в ядрах массивных звезд», — добавила соавтор исследования доктор Фани Досопулу, научный сотрудник Кардиффского университета.

Ссылка на журнал:

Фабио Антонини, Изобель М. Ромеро-Шоу, Томас Каллистер, Фани Досопулу, Дебатри Чаттопадхьяй, Йонадав Барри Жинат, Марк Гилес, Микела Мапелли. Ограничения, накладываемые гравитационными волнами на массу, при которой возникает парная нестабильность, и на ядерное горение в массивных звездах. Nature Astronomy, 2026; DOI: 10.1038/s41550-026-02847-0