Каналы образования (кратко, с характерными массами/спинами и механизмами)
- Однократный коллапс массивной звезды (обычный железосодержащий коллапс):
- Ремнант: нейтронная звезда (НС) или черная дыра (ЧД) в зависимости от массы ядра и падения материи.
- Массы: НС ~$1.2-2.3M_{\odot }$; ЧД (звездного происхождения) ~$5-50M_{\odot }$ (зависит от потерь массы и PPISN).
- Спин: низкий натально при эффективном переносе углового момента в звезде; выше при слабом переносе или передаче углового момента в бинаре.
- Electron-capture SN (AIC, захват электронов у ОNeMg-белых карликов):
- Ремнант: низкомассовая НС (~$1.25M_{\odot }$), малые отскоки и низкие скорости выброса; спин может быть низким, но AIC может дать быстрый вращающийся НС при аккреции.
- Неудавшийся/прямой коллапс (failed SN / direct collapse):
- Ремнант: тяжёлая ЧД с малым кинематическим импульсом (kick) и низкой светимостью взрыва.
- Массы: более высокие среди звёздной популяции (вплоть до выхода на пределы PPISN).
- Спин: зависит от остаточного углового момента; часто предполагают низкие натальные спины при сильном торможении.
- Фоллбэк (fallback) после взрыва:
- Увеличивает массу ремнанта и может увеличить спин за счёт падающего углового момента.
- Парный взрыв (PPISN / PISN):
- Между моделями: возникает «массовая щель» (pair-instability mass gap). Приближённые границы зависят от металличности и моделей (низкая металличность → более массивные остатки). Типичные ориентиры: пустота приблизительно $\sim 50-120M_{\odot }$ (модельно зависимо).
- Наличие объектов в этой щели указывает на иерархические слияния или немодельные каналы (например, первичные чёрные дыры).
- Бинарная эволюция (массообмен, приливы, общая оболочка, химически однородная эволюция):
- Часто даёт близкие пары ЧД/НС с выровненными спинами (при приливах/аккреции) и малой эксцентриситетной орбитой.
- Может создать быстрые вращающиеся компоненты за счёт аккреционного «ребилдинга» (recycling) — миллисекундные пульсары.
- Динамическое формирование в скоплениях (ядерные скопления, глобулярные скопления):
- Каналы: трёхтелесные взаимодействия, захваты, иерархические слияния.
- Характеристики: случайные (изотропные) ориентации спинов, возможна высокая масса (и повторные слияния → «второе поколение» ЧД), часто ненулевой эксцентриситет в момент попадания в чувствительный диапазон GW.
- Спины могут быть высокими у продуктов повторных слияний.
- Слияния компактных объектов (NS-NS, NS-BH, BH-BH):
- Результат: либо большая ЧД, либо массивный/гипер/стабильный НС в зависимости от суммарной массы и EOS.
- Слияния дают специфические GW-сигнатуры и часто EM-контрпартны (килонова, sGRB) если есть НС.
- Аккрецирующее превращение белого карлика (AIC / accretion-induced collapse) и трансформация через аккрецию:
- Может дать НС с высокой спиновой частотой (миллисекунды), низкой массой при AIC либо увеличенную массу при длительной аккреции.
- Примордиальные чёрные дыры (PBH) — экзотика:
- Могут иметь широкий диапазон масс и малые кинематические импульсы; выявление подтвердит раннюю Вселенную.
Ключевые наблюдаемые признаки и как они соответствуют каналам
1) Гравитационные волны (GW) от слияний:
- Массовая комбинация и массовое отношение $q=m_2/m_1$ → указывает на массовую историю (одинаковые массы часто — бинарная эволюция; широкие распределения — динамика).
- Эффективный спин:
${\chi }_{\mathrm{eff}}=\frac{m_1{\chi }_1+m_2{\chi }_2}{m_1+m_2}\cdot \hat{L}$.
- ${\chi }_{\mathrm{eff}}$ близкое к нулю и распределение изотропно → динамическое формирование; положительное и высокое ${\chi }_{\mathrm{eff}}$ → выравненные спины, вероятно бинарная эволюция с приливами/аккрецией.
- Параметр прецессии ${\chi }_p$ и наблюдаемая прецессия → указывает на компонентные спины, не выровненные с орбитой (часто динамика).
- Эксцентриситет в детекторном диапазоне → сильный индикатор динамического захвата.
- Наблюдение массы в «парной щели» ($>50-120M_{\odot }$) → иерархические слияния или экзотические каналы.
- Тидальные эффекты (тильдованная деформируемость $\Lambda$) в NS-NS: измерение $\Lambda$ даёт информацию о том, является ли компонент НС и обжимаемости EOS; отсутствие тидальной деформации → компонент может быть ЧД.
$\Lambda$ масштабируется как $\sim (R/M{)}^5$ (с коэффициентом связности).
2) Электромагнитные (EM) контрпартнёры:
- Короткие гамма‑всплески (sGRB) и килонова → подтверждают участие НС в слиянии.
- Наличие яркой EM-сигнатуры после слияния NS-NS указывает на временно существующий гипер-/массивный НС (не мгновенный коллапс). Мгновенная коллапса — слабые или отсутствующие EM-сигналы.
- Спектр и металличность эвакуации (r‑процесс) дают информацию о массе и скорости выброса → constrains remnant lifetime.
3) Аккреционные диски и рентгеновские спектры:
- Измерение спина ЧД: continuum-fitting и reflection (Fe Kα) модели дают оценку параметра Kerr $a_{\ast }$. Высокий $a_{\ast }$ указываeт либо слабое торможение, либо прошлую аккрецию/слияния.
- Эффективность излучения $\eta =1-E_{\mathrm{ISCO}}(a_{\ast })$ растёт с $a_{\ast }$; измеряемая радиационная эффективность даёт ограничение на $a_{\ast }$.
- Характерные черты: широкие, сдвинутые Fe линии → внутренний край диска близко к ЧД (большой $a_{\ast }$).
4) Джеты:
- Мощные релативистские джеты (Blandford–Znajek) требуют большого потока магнитного поля и часто высокого спина ЧД; наличие мощного, постоянного джета (MAD — magnetically arrested disk) указывает на высокий $a_{\ast }$ и богатое магнитное окружение.
- Для НС джеты могут быть индуцированы магнитосферой и ротацией — сильные магнитары дают иные EM-подписи (пост‑взрывная активность, короткие всплески).
- Джет + высокий спин ЧД в рентген-радио корреляциях — поддержка сценария предшествующей интенсивной аккреции или иерархических слияний.
5) Пульсары, их масса, спин и скорость (proper motion):
- Миллисекундные пульсары (MSP) → аккреционная «перезагрузка» в бинаре.
- Очень высокие пространственные скорости пульсаров → большие натальные kicks → асимметричный SN; низкие скорости → прямой коллапс.
- Массивные НС ($\gtrsim 2M_{\odot }$) дают ограничения на EOS; AIC обычно даёт низкие kicks и специфические спиновые свойства.
Как отличить пути (простая соответствующая логика)
- Выравненные положительные спины, низкая эксцентриситетная орбита, отсутствие значительных приливных эффектов в GW → скорее изолированная бинарная эволюция с приливной синхронизацией/акрецией.
- Нулевое/распределение вокруг нуля ${\chi }_{\mathrm{eff}}$, случайные ориентации спинов, возможный эксцентрицитет → динамическая сборка в скоплении.
- Очень большие массы, превышающие PPISN‑щель → иерархические слияния (в кластерных каналах) или экзотика (PBH).
- Высокий спин одиночной ЧД в системе X‑ray binaries + ежедневные следы сильной аккреции → прошлое интенсивной аккреции; если при этом масса мала → «перезагрузка» не столь вероятна, возможно натальная высокая скорость вращения.
- Наличие EM‑контрпартнёров (kilonova/sGRB) у GW-события → участие НС; если EM отсутствует и общий масса высока → вероятный прямой коллапс в ЧД.
- Измерения тидальной деформации в GW (НC) + длительная пост‑мергер волна → стабильный или временно устойчивый НС; быстро затухающая GW‑волна и отсутствие EM → prompt collapse в ЧД.
Ограничения и декогеренции
- Одно наблюдение редко окончательно определяет канал: спин может быть поднят и аккрецией, и слияниями; мощный джет требует не только spin, но и магнитного потока.
- Модели PPISN/PISN зависят от металличности и теории переноса массы → массовые границы непостоянны.
- Комбинация GW (массы, ${\chi }_{\mathrm{eff}}$, ${\chi }_p$, эксцентриситет), EM (kilonova/GRB, дисковые спектры, джеты) и астрометрических данных (собственные скорости, окружение) даёт надёжную реконструкцию эволюции.
Практическое резюме (что смотреть в первую очередь)
- Для слияний: GW — массы, ${\chi }_{\mathrm{eff}}$, ${\chi }_p$, эксцентриситет, тидальные параметры $\Lambda$; затем поиск EM‑контрпартнёров.
- Для одиночных/аккрецирующих систем: рентгеновские reflection/continuum‑fit спины, свойства джетов (MAD vs ненасыщенные), спектры и диск‑ветра/ветры.
- Для НС‑популяции: распределение масс и скоростей пульсаров, частоты миллисекундных пульсаров (аккреционный history).
Коротко: не существует одного «универсального» наблюдаемого — надёжная идентификация канала требует мультимессенджерного подхода (GW + EM + астрометрия + спектроскопия окружения).