Обертання чорної діри — одна з двох величин, що повністю визначають її властивості, поряд з масою. Стандартна теорія зоряної еволюції передбачає, що масивні зорі втрачають більшу частину кутового моменту ще до колапсу ядра — через зоряний вітер і розширення зовнішніх шарів. У результаті чорні діри, народжені з колапсу поодинокої зорі, мають обертання, близьке до нуля. Але щільні зоряні скупчення живуть за іншими правилами: там зорі постійно стикаються, і кожне зіткнення — це шанс передати кутовий момент від однієї зорі до іншої.

Група дослідників під керівництвом Ішаана Сатіша перевірила, наскільки сильно такі зіткнення можуть змінити картину народження чорних дір. Робота спирається на два інструменти моделювання: Cluster Monte Carlo (CMC), який симулює динаміку тисяч зір у скупченні методом N тіл, і MESA — код для детального розрахунку внутрішньої будови й еволюції окремої зорі. Перший дає статистику зіткнень у масштабі цілого скупчення, другий — фізику того, що відбувається всередині зорі-продукту злиття.

Як CMC знаходить кандидатів на розкручені чорні діри

Автори проаналізували близько 150 моделей зоряних скупчень, побудованих CMC. Ці моделі відтворюють умови, типові для кульових скупчень Чумацького Шляху — щільних сферичних утворень із сотнями тисяч зір, де відстані між сусідами набагато менші, ніж у звичайному диску галактики.

У кожній моделі дослідники шукали злиття масивних зір, що завершуються утворенням чорної діри. Окрему увагу приділили «значним» злиттям — тим, де співвідношення мас двох зір-компонентів перевищує 0,1. Саме такі події теоретично здатні передати достатньо кутового моменту, щоб помітно вплинути на кінцевий спін чорної діри.

Найперспективніші кандидати з CMC далі прораховували в MESA — щоб простежити, як саме розподіляється кутовий момент усередині зорі після злиття і яким виявиться профіль обертання безпосередньо перед колапсом ядра.

Товстий диск як механізм розкрутки

Центральна ідея роботи проста за формулюванням, але нетривіальна за наслідками. Під час злиття одна зоря передає іншій частину свого кутового моменту. Деякі продукти таких злиттів еволюціонують не у звичайних надгігантів, а в об'єкти з товстим акреційним диском навколо ядра — щось на кшталт передколапсарних структур, подібних до тих, що описують у моделях колапсарів (colapsar-like objects).

Такий диск здатен ефективно розкручувати майбутню чорну діру аж до моменту колапсу ядра. Це принципово інший сценарій порівняно зі стандартною картиною, де зоря встигає «скинути» майже весь запас обертання ще до того, як ядро колапсує.

Половина чорних дір — продукт злиттів

Для скупчень, подібних до кульових скупчень Чумацького Шляху, результати виявились вагомими. За оцінками команди, до половини всіх чорних дір у таких моделях можуть утворюватися саме внаслідок злиттів масивних зір. Із них близько 10% припадає на «значні» злиття з співвідношенням мас понад 0,1.

Попередні оцінки кутового моменту показують суттєву розкрутку продуктів злиття, причому простежуються кореляції між співвідношенням мас, властивостями зорі та кінцевим спіном чорної діри. У деяких випадках безрозмірний параметр обертання (dimensionless spin parameter) сягає 0,5 або більше — за теоретичної межі в 1.

Наслідки для пошуку гравітаційних хвиль

Автори наголошують, що це поки що попередні результати, які потребують уточнення. Проте якщо тенденція підтвердиться, вона матиме важливе значення для інтерпретації сигналів гравітаційно-хвильових обсерваторій.

Чорні діри з помітним обертанням, народжені в щільних скупченнях, залишають характерний слід у гравітаційно-хвильовому сигналі злиття — на відміну від «повільних» чорних дір, що утворюються з поодиноких масивних зір. Якщо значна частка чорних дір у кульових скупченнях справді народжується розкрученими через попередні злиття, це дасть новий інструмент для розрізнення динамічного походження гравітаційно-хвильових джерел від тих, що утворилися в подвійних зоряних системах поза скупченнями.