Когда два тяжёлых тела сталкиваются, они не всегда остаются на месте. Чёрные дыры при слиянии получают мощный пинок — как отдача от выстрела, только вместо пороха работает искривление пространства. Этот пинок может выбросить новую дыру из центра галактики или даже за её пределы.
Авторы работы проанализировали данные гравитационных обсерваторий LIGO и Virgo за несколько лет. Они вычислили скорости отдачи для отдельных событий и для всей популяции. Для двух событий удалось получить довольно точные оценки: чёрная дыра GW231028-153006 отлетела со скоростью около 839 км/с, а GW231123-135430 — около 974 км/с. Это в сотни раз быстрее пули.
Но у большинства событий скорости остались неопределёнными: данные не позволяют точно сказать, насколько сильным был пинок. Поэтому учёные пошли дальше и оценили распределение скоростей для всех сливающихся чёрных дыр. Оказалось, что медианная скорость отдачи — примерно 300–330 км/с. Это значит, что половина всех новых дыр отлетает медленнее этой величины, а половина — быстрее.
Затем авторы посчитали, удержат ли такие дыры разные типы звёздных скоплений и галактик. В шаровых скоплениях — плотных роях старых звёзд — гравитация слабая, поэтому удержать удаётся лишь 2–3% слившихся дыр. В ядерных звёздных скоплениях, которые находятся в центрах галактик, удержание выше — 28–32%. Карликовые галактики удерживают 25–29%, а гигантские эллиптические — почти все: 92–94%.
Но удержать — не значит вернуть в центр. Дыра может долго болтаться на окраине скопления, как мяч, выбитый с поля, но не улетевший за забор. Авторы вычислили, сколько времени нужно, чтобы трение о звёзды вернуло дыру обратно в ядро. Оказалось, что в шаровых скоплениях и ядерных скоплениях этот срок может быть очень долгим — дольше, чем возраст Вселенной. А значит, даже удержанная дыра не успеет найти партнёра для нового слияния.
Это меняет картину того, как растут чёрные дыры. Раньше считалось, что если дыра осталась в скоплении, она рано или поздно сольётся снова. Теперь ясно: мало удержать — нужно ещё, чтобы дыра успела вернуться в гущу событий. В шаровых скоплениях это почти невозможно, поэтому там иерархические слияния — когда дыра сливается, потом её потомок снова сливается — происходят редко. А вот в массивных эллиптических галактиках, где гравитация крепко держит всё на месте, чёрные дыры могут расти как снежный ком.
Скорость отдачи чёрной дыры может достигать тысяч километров в секунду — это быстрее, чем движется Земля вокруг Солнца (около 30 км/с).
В фильме «Интерстеллар» чёрная дыра Гаргантюа показана неподвижной, но реальные дыры после слияния могут нестись сквозь галактику, оставляя за собой шлейф из звёзд.