Слишком большие массы для общепринятой теории. Некоторые черные дыры, обнаруженные благодаря их гравитационным волнам, слишком тяжелы, чтобы быть образованными от нормальных звезд. И вот теперь исследователи нашли необычное объяснение для таких черных дыр: в активных галактических ядрах «пойманные в ловушку» черные дыры могут сливаться в серии - и, как сообщают астрономы, могут вырастать в невероятно огромные массы.

Окружение активных ядер галактик может захватывать черные дыры и объединять их многократно, что объясняет необычно большую массу некоторых из этих объектов. © Scott C. Noble

Со времени первого обнаружения гравитационных волн детекторы LIGO и Virgo зарегистрировали более десяти слияний черных дыр - и даже столкновение двух нейтронных звезд. Но до сих пор остается неясным, как именно сформировались эти сталкивающиеся объекты: происходят ли они от близко расположенных двойных звезд? Или все же обе черные дыры вступают в контакт на более поздних этапах?

Слишком массивные для звездного коллапса

Но еще более озадачивает необычно большая масса некоторых из черных дыр, вовлеченных в столкновения. Например, событие GW170729 включает в себя, по крайней мере, одну черную дыру с массой в 50,6 солнечных масс, и это на самом деле невероятно большая масса для черной дыры, созданной звездой, объясняют Имре Бартос из Университета Флориды в Гейнсвилле и его коллеги. Потому что исходная звезда неизбежно претерпит коллапс еще задолго до того, как достигнет такой массы.

Но как же тогда может возникнуть столь массивный гигант? Возможное объяснение этой «невозможной» массы Бартос и его команда решили проверить в процессе симуляции. Полученный результат показал: эти черные дыры могли появиться в результате предыдущих слияний еще до того, как произошло их столкновение. Такие последовательные столкновения были бы возможны, в частности, на орбите вокруг активного ядра галактики, объясняют исследователи.

Захвачены на орбите

Конкретно такой сценарий выглядел бы следующим образом: в окружении активной сверхмассивной черной дыры, находящейся в ядре галактики, накапливается не только огромный диск горячего газа и распадающейся материи, но и целые звезды и звездные черные дыры, которые кружатся в такой плотно заполненной периферии гравитационного гиганта. Пойманные гигантской гравитацией, эти маленькие черные дыры движутся по относительно узкой траектории и не имеют возможности с нее сойти.

Образование активного ядра галактики - звездные черные дыры могут быть захвачены также и в аккреционном диске. © Rothwild /CC-by-sa 3.0

«Это похоже на ураган, вокруг глаза которого все несется по кругу», - объясняет Бартос. - «За исключением того, что глаз в этом случае представляет собой кольцо вокруг центральной сверхмассивной черной дыры». Это кольцо увеличивает вероятность того, что пойманные в ловушку черные дыры встретятся друг с другом, и в результате слияния увеличатся в массе и размерах. Поскольку черные дыры, образованные этими столкновениями, продолжают оставаться в гравитационной ловушке, они и дальше могут сталкиваться - и результатом этого может стать чрезвычайно масштабное событие, такое как GW170729.

Серийные столкновения

По мнению астрономов, именно такой сценарий может объяснить, как возникли необычно тяжелые черные дыры в некоторых зарегистрированных событиях гравитационных волн. «Такие иерархические слияния являются скорее правилом, чем исключением в миграционных ловушках активных ядер галактик», - говорят исследователи. - «Далее они приводят к цепочке последовательных слияний. Примерно в 40 процентах наблюдавшихся случаев одна из черных дыр должна была быть тяжелее 50 солнечных масс».

Сюда вписывается и то, что чрезвычайно тяжелая черная дыра в событии GW170729 вращается необычайно быстро - это также стало типичным следствием последовательного слияния черных дыр в активном ядре галактики в проведенной симуляции, объясняют Бартос и его команда. В целом, они пришли к выводу, что такие черные дыры, как в GW170729, в пять раз чаще встречаются в их сценарии галактического ядра, чем в любой другой ситуации.

«Этот сценарий предоставляет собой естественный способ объяснить большую массу и сильное вращение таких сливающихся черных дыр», - говорит соавтор Ричард О'Шонесси из Рочестерского технологического института. Является ли это объяснение правильным, теперь должны показать дальнейшие наблюдения подобных гравитационно-волновых событий. Но исследователи считают свой сценарий наиболее вероятным объяснением.