З моменту першого зафіксованого злиття чорних дір у 2015 році гравітаційно-хвильові обсерваторії LIGO і Virgo назбирали вже сотні подібних подій. Кожне злиття залишає у просторі-часі характерний "підпис" — сигнал, з якого можна відновити маси обох чорних дір і те, як орієнтовані їхні осі обертання (спіни) відносно орбіти. Коли таких подій накопичилося достатньо, з'явилася статистична картина — і вона виявилася складнішою, ніж передбачали моделі.

Що було відомо раніше

Дві головні гіпотези пояснювали походження подвійних чорних дір. Перша — еволюція ізольованої подвійної зоряної системи, де обидві масивні зорі проходять через спільну оболонку і зрештою колапсують у чорні діри. Друга — динамічне формування в густих зоряних скупченнях, де чорні діри випадково зустрічаються й утворюють пари під дією гравітації сусідів. Кожен сценарій передбачає власний характерний відбиток у розподілі мас і спінів. Проблема в тому, що жоден із них окремо не відтворює всієї картини: спостережувані дані показують і різкий пік маси первинної чорної діри біля 10 мас Сонця, і значну частку систем із помітно перекошеними спінами, і перевагу пар з майже рівними масами одночасно.

Що зробили дослідники

Автори нової роботи звернули увагу на факт, який часто випадає з уваги: значна частка масивних зір-прародичів чорних дір насправді формується не поодинці, а в ієрархічних потрійних системах — коли до тісної подвійної пари зір додається третій, віддаленіший супутник. Гравітація цього третього тіла здатна періодично розхитувати орбіту внутрішньої пари через механізм, відомий як циклі Лідова-Козаї: орбіта то стає більш витягнутою, то нахиляється відносно початкової площини.

Дослідники провели серію симуляцій, що поєднують орбітальну динаміку потрійних систем із моделями зоряної еволюції — від народження зір до колапсу в чорні діри та їхнього подальшого злиття. Результат порівняли з реальним каталогом гравітаційно-хвильових подій.

Модель відтворила відразу кілька ключових рис спостережуваної популяції:

— різкий і домінантний пік маси первинної чорної діри поблизу 10 мас Сонця;

— значну частку систем із великим кутом між спіном і орбітою в цьому піку та за його межами, що узгоджується зі скошеними розподілами параметрів χ_eff і χ_p, які астрономи використовують для опису ефективного спіну пари;

— розподіл відношення мас, що надає перевагу майже рівним парам, з нахилом розподілу, який збігається зі спостережуваним.

Чому це важливо

Головна цінність результату — не в окремих співпадіннях, а в тому, що одна й та сама модель одночасно пояснює три різні властивості популяції: масу, спіни та співвідношення мас. Раніше жоден сценарій формування не робив цього одразу. Це означає, що ієрархічні потрійні системи можуть бути домінантним каналом для формування маломасивної, найчисленнішої частини злиттів чорних дір, а не рідкісним винятком.

Окремо автори звертають увагу на прогнозований різкий спад кількості злиттів біля 30 мас Сонця. Ця межа збігається з особливістю, яку раніше вже помічали в спостережуваному розподілі мас і пов'язували з можливим переходом до іншого механізму формування — того, що домінує серед важчих чорних дір. Якщо це підтвердиться, у популяції злиттів співіснують щонайменше два різні канали формування, кожен зі своїм характерним діапазоном мас.

Наскільки впевнені в результаті

Робота наразі опублікована як препринт на arXiv і ще не пройшла рецензування. Висновки спираються на симуляції — модельні розрахунки динаміки й еволюції потрійних систем, а не на прямі спостереження самих потрійних систем-прародичів. Автори підкреслюють, що йдеться саме про низькомасивну, основну частину популяції злиттів; для важчого хвоста розподілу, ймовірно, працює інший, ще не остаточно ідентифікований механізм. Подальша перевірка вимагатиме як більшої статистики гравітаційно-хвильових детекцій від LIGO, Virgo та KAGRA, так і незалежних спостережень масивних потрійних зоряних систем у нашій Галактиці.