Астрономы, анализируя данные четвёртого каталога гравитационно-волновых событий (GWTC-4), подтвердили существование разрыва в распределении масс чёрных дыр. Этот разрыв, вызванный явлением парной нестабильности, связан с процессами, происходящими в недрах массивных звёзд.

Разрыв парной нестабильности — это диапазон масс, в котором чёрные дыры образовываются не в результате коллапса звёзд. Этот интервал, предсказанный теорией эволюции звёзд, находится в пределах от 50 до 130 солнечных масс. Причина разрыва связана с тем, что в массивных звёздах углеродно-кислородное ядро разогревается до такой степени, что фотоны начинают превращаться в пары электронов и позитронов. Это приводит к падению давления излучения, поддерживающего звезду, и вызывает её коллапс. Взрывное воспламенение кислорода полностью разрушает звезду, не оставляя после себя остатка. В некоторых случаях звезда может сбросить массу и коллапсировать в чёрную дыру с массой ниже нижней границы разрыва.

Исследование GWTC-4 сосредоточилось на анализе двойных систем, где одна чёрная дыра более массивная (первичный компонент), а другая менее массивная (вторичный компонент). Учёные обнаружили, что разрыв чётко проявляется именно в массах вторичных компонентов. Это связано с тем, что первичные компоненты могут быть чёрными дырами второго поколения — образовавшимися в результате слияния двух более легких чёрных дыр (иерархическое происхождение). Такие объекты могут попадать в диапазон разрыва, «загрязняя» его. Вторичные компоненты, напротив, чаще являются чёрными дырами первого поколения, образованными непосредственно из звёзд, и поэтому их массы строго подчиняются правилам парной нестабильности. Чёрные дыры второго поколения могут иметь массы в диапазоне от 50 до 130 солнечных, что делает их ключевым индикатором иерархического происхождения. Такие объекты также обладают высоким спином (угловой момент), который они наследуют от углового момента своих предшественников. Иерархические слияния чаще всего происходят в плотных звёздных средах, таких как шаровые скопления или диски активных ядер галактик.

Для анализа использовались данные 153 событий слияний, зафиксированных детекторами LIGO, Virgo и KAGRA. Учёные применили методы иерархического байесовского анализа, чтобы определить границы разрыва. Нижняя граница была установлена на уровне 44±5 M?, а верхняя — около 116±10 M?. Также было обнаружено, что чёрные дыры с массой выше 45 масс Солнца вращаются быстрее. Это объясняется тем, что именно такие объекты чаще всего являются результатом слияний, при которых наследуют угловой момент своих предшественников.

Особое внимание было уделено событиям GW231123 и GW190521. GW231123 — самая массивная из обнаруженных двойных систем, с суммарной массой до 265 солнечных масс. В этой системе один из компонентов имеет массу около 200 солнечных масс, что значительно превышает верхнюю границу разрыва, тогда как второй компонент находится ниже этой границы. Это событие помогло уточнить верхнюю границу разрыва. GW190521, ранее считавшееся загадочным из-за необычно высокой массы одного из компонентов, теперь интерпретируется как система, где одна чёрная дыра находится за пределами разрыва, а другая — ниже его границы.

Полученные результаты имеют важное значение для астрофизики. Они подтверждают теоретические предсказания о парной нестабильности и помогают уточнить параметры ядерных реакций, происходящих в недрах звёзд. Например, скорость превращения углерода в кислород теперь можно оценить с большей точностью. Эти данные также позволяют лучше понять процессы формирования чёрных дыр и уточнить космологические параметры, такие как постоянная Хаббла, которая описывает скорость расширения Вселенной.