«Промежуточными» или «легкими» черными дырами называют объекты массой 100-350 солнечных. Ранее Naked Science рассказывал об обнаружении в сердце Млечного Пути сразу двух таких «средних» объектов. Хотя точные механизмы их формирования пока неизвестны, предполагается, что они могли возникнуть путем гравитационного коллапса одиночной звезды — так же, как и черные дыры звездной массы. С той лишь разницей, что их формирование происходит в условиях, отличных от центров галактик, в которых рождаются сверхмассивные черные дыры.
Теперь международная группа астрофизиков из Университета Вандербильда (США) под руководством Карен Джани (Karan Jani) и Кристал Руис-Роча (Krystal Ruiz-Rocha) проанализировала данные, полученные с помощью детекторов гравитационных волн LIGO (США) и Virgo (Италия) и выявила 11 слияний черных дыр массой 100-300 солнечных. Это — самые тяжелые из когда-либо зафиксированных гравитационно-волновых событий. Результаты нового исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.
Поскольку LIGO и Virgo фиксируют лишь последний миг перед слиянием, получить больше информации о формировании черных дыр средней массы непросто, астрофизики обратились к данным двух ранее опубликованных исследований. Их авторы показали и доказали, что LISA (Laser Interferometer Space Antenna) — совместная миссия NASA и Европейского космического агентства (ESA) — сможет отслеживать «промежуточные» черные дыры за годы до слияния. Запуск миссии запланирован на конец 2030-х годов.
Применив алгоритм Байеса (статистический метод, используемый для определения вероятности событий на основе предыдущих знаний о них) и три модели обработки гравитационно-волновых сигналов — SEOBNRv4PHM, IMRPhenomXPHM и NRSur7dq4 — авторы новой научной работы оценили параметры каждого события, включая массу и спин черных дыр до и после слияния.
Результаты показали, что в пяти из 11 зарегистрированных столкновений (GW191223, GW191225, GW190426, GW200114 и GW200214) черная дыра массой свыше 100 солнечных формировалась с вероятностью 90%. Это особенно верно для событий GW191223 и GW191225 — в них масса первичной черной дыры, скорее всего, превысила 120 солнечных. Значит, космические «монстры» средней массы могут формироваться путем поэтапных столкновений в плотных звездных скоплениях или в окрестностях активных галактических ядер.
Однако, проверив согласованность моделей, исследователи выяснили, что полученные в ряде случаев результаты заметно расходятся. Возможными причинами могут быть как физические характеристики черных дыр (например, ориентацией оси и вращения), так и ограничения моделей, особенно в низкочастотном диапазоне.
Тем не менее новое исследование представляет собой первый комплексный байесовский анализ 11 гравитационно-волновых событий с использованием трех независимых моделей. Астрофизики не только выявили пять убедительных кандидатов в «промежуточные» черные дыры, но и подчеркнули необходимость доработки современных моделей.