Den direkta upptäckten av gravitationsvågor från minst elva källor under de senaste fem åren har erbjudit en spektakulär bekräftelse av Einsteins modell av gravitation och rum-tid, medan modelleringen av dessa händelser har gett information om stjärnbildning, gammastrålning, neutronstjärnor, universums ålder, och även verifiering av idéer om hur mycket tunga element produceras. Majoriteten av dessa gravitationsvåghändelser uppstod från sammanslagning av två svarta hål med jämförbara massor i ett kretsande par. Nästan lika masspar är starkt att föredra i modeller av binära svarta hålsbildning, oavsett om de härrör från utvecklingen av isolerade dubbelstjärnor eller från den dynamiska parningen av två svarta hål. Det här året, dock, LIGO och Jungfruns gravitationsvågsobservatorier rapporterade den första upptäckten av ett mycket ojämnt masspar av svarta hål, GW190412, vars beräknade massor är cirka 30 och åtta solmassor. Frågan, sedan, är hur de bildades?

CfA-astronomen Carl Rodriguez ledde ett team av kollegor i en teoretisk undersökning av hur en sådan ojämlik massbinär kan bildas. Den mest uppenbara lösningen är att titta i en tät stjärnhop, där lågspin, jämförbara massasvarta hålspar kan naturligt bildas, delvis för att massiva svarta hål och stjärnor tenderar att sjunka mot mitten av klustret och lättare kan stöta på varandra. Men även där kommer dessa möten sannolikt inte att producera ett ojämlikt masspar. Spinn av varje svart hål lägger till ytterligare en komplicerande faktor. Snurret kvantifieras med ett tal mellan noll och ett. Om vart och ett av de svarta hålen i en sammanslagning har ett lågt värde på spin, som förväntat, då kommer deras sammanslagning normalt att producera ett mer massivt svart hål vars spinn är stor, kanske runt 0,7, men det antagna spinnet för det massiva svarta hålet i GW190412 är väl bestämt att vara cirka 0,43, vilket tyder på att det inte uppstod från en så enkel sammanslagning.

Astronomerna hävdar att det mest sannolika sättet att producera detta osannolika par kan vara genom två tidigare sammanslagningar av svarta hålspar i klustret, en process som i slutändan kan resultera i ett svart hål med rätt antagna spinn. Först, två binära par av svarta hål slås samman; vart och ett av dessa par har svarta hål med jämförbara måttliga massor och vart och ett producerar ett mer massivt svart hål. Nästa, dessa två nya svarta hål bildar själva ett binärt par och går sedan samman, producerar de cirka 30 solmassan, måttligt spinn svart hål som sett. Sedan parar sig det svarta hålet med ett svart hål med låg massa för att bilda binären vars kollaps producerade händelsen sett som GW190412. (Liknande flerstegsvarianter är också möjliga.)

Även om en sådan serie händelser är sällsynta, forskarna visar att kända stjärnhopar kan ge de rätta miljöerna för att det ska uppstå. Det nya resultatet och analysen, som i fallet med tidigare upptäckter av gravitationsvågor, har utökat vår syn på kosmisk mångfald samtidigt som vi tacklar grundläggande antaganden. Ett av dessa antaganden är att svarta hål vanligtvis bildas från stjärnkollaps med låga snurr. Framtida arbete kommer att visa om en trestegs fusionsprocess behövs för att förklara händelser som GW190412, eller om antaganden som detta om spinn behöver utmanas istället.