Чёрные дыры-близнецы: почему лёгкие ленивы, а тяжёлые — юла экспресс
Два фигуриста кружатся на льду. Один — лёгкий и осторожный, почти не крутится. Другой — массивный и быстрый, вращается изо всех сил, да ещё и в разные стороны. Примерно так выглядит картина, которую нарисовали гравитационные волны от слияния чёрных дыр.
Учёные проанализировали данные четвёртого каталога LIGO–Virgo–KAGRA и обнаружили, что скорость вращения чёрных дыр в паре сильно зависит от их массы. Лёгкие дыры — до 35–50 масс Солнца — почти не вращаются: их спин (мера вращения) не превышает 0,2 от максимально возможного. Тяжёлые, от 70 солнечных масс и выше, крутятся вовсю — в среднем около 0,7 от предела, причём часто с перекосом: одна дыра в паре может вращаться быстро, а другая — заметно медленнее.
Медленное вращение лёгких дыр укладывается в сценарий, где обе звезды родились вместе и прожили спокойную жизнь, не набирая лишнего вращения. Быстрое и несимметричное вращение тяжёлых дыр больше похоже на результат многократных слияний в плотных звёздных кучах или на хаотичные захваты. Однако ожидаемого чёткого признака «иерархических» слияний — когда одна дыра всегда крутится быстрее другой — данные не показали. Природа снова оказалась сложнее.
Такой портрет вращения — новая цель для теоретиков. Теперь модели рождения двойных чёрных дыр должны объяснять не только массы, но и то, как эти массы связаны с вращением каждой дыры в отдельности.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2605.24281
While the origin of merging black-hole binaries observed in gravitational waves remain uncertain, different formation channels are expected to leave distinct imprints on their observed mass and spin distributions. In this work, we focus on the mass dependence of the spin magnitudes $$(\chi_1,\chi_2)$$, allowing for multiple spin subpopulations whose relative fraction varies with mass. Using the binaries from the fourth LIGO--Virgo--KAGRA gravitational wave transient catalog (GWTC-4), we find strong evidence for two subpopulations, with a log Bayes factor of $$\log_{10} \mathcal B = 4^{+6}_{-2}$$. The data support a picture in which low-mass systems are composed almost entirely of slowly spinning black holes ($$\chi \lesssim 0.2$$), while high-mass systems are dominated by a broader component with moderate to rapid spins, peaking at $$(\chi_1,\chi_2)\approx(0.7,0.7)$$ and retaining a non-negligible tail toward asymmetric spins $$(\chi_1,\chi_2)\approx(0.7,0)$$. The transition between these regimes spans a broad range from $$m_1 \approx 35^{+20}_{-20} \,M_\odot$$ to $$m_1 \approx 70^{+90}_{-25}\,M_\odot$$. For the low-mass, slowly-spinning regime, a flexible model of spin orientations does not allow us to exclude identically vanishing spins, $$\chi_1 = \chi_2 = 0$$. Meanwhile, the high-mass, rapidly-spinning population does not neatly display the spin-magnitude asymmetry expected from hierarchical mergers, although the data do not exclude that. This kind of localized structure is generally difficult to access with standard Monte-Carlo likelihood estimators, which we replace with a regularized representation in terms of truncated Gaussian mixtures. Taken together, our results provide a new target for formation models, which should reproduce not only the mass and effective spin distributions, but also the mass-dependent structure of the individual component-spin magnitudes.
Спин чёрной дыры измеряется числом от 0 до 1. Дыра с максимальным спином 1 вращается так быстро, что её горизонт событий движется почти со скоростью света.
В фильме «Интерстеллар» сверхмассивная чёрная дыра Гаргантюа вращается почти с максимальным спином, что и создаёт экстремальное замедление времени на планете Миллер.