De directe detectie van zwaartekrachtsgolven van ten minste elf bronnen in de afgelopen vijf jaar heeft een spectaculaire bevestiging gegeven van Einsteins model van zwaartekracht en ruimte-tijd, terwijl de modellering van deze gebeurtenissen informatie heeft opgeleverd over stervorming, gammaflitsen, neutronensterren, de leeftijd van het heelal, en zelfs verificatie van ideeën over hoe zeer zware elementen worden geproduceerd. Het merendeel van deze gravitatiegolfgebeurtenissen ontstond door de samensmelting van twee zwarte gaten van vergelijkbare massa's in een om de aarde draaiend paar. Bijna gelijke massaparen hebben sterk de voorkeur in modellen van binaire zwarte gatvorming, of ze het gevolg zijn van de evolutie van geïsoleerde dubbelsterren of van de dynamische koppeling van twee zwarte gaten. Dit jaar, echter, de LIGO en Virgo gravitatiegolfobservatoria rapporteerden de eerste detectie van een zeer ongelijk massapaar zwarte gaten, GW190412, waarvan de geschatte massa's ongeveer 30 en acht zonsmassa's zijn. De vraag, dan, is hoe zijn ze gevormd?

CfA-astronoom Carl Rodriguez leidde een team van collega's in een theoretisch onderzoek naar hoe zo'n ongelijke massa binair zou kunnen worden gevormd. De meest voor de hand liggende oplossing is kijken in een dichte sterrenhoop, waar weinig spin, vergelijkbare massale zwarte gatenparen kunnen zich natuurlijk vormen, gedeeltelijk omdat massieve zwarte gaten en sterren de neiging hebben om naar het centrum van de cluster te zinken en elkaar gemakkelijker kunnen ontmoeten. Maar zelfs daar zullen die ontmoetingen waarschijnlijk geen ongelijk massapaar opleveren. De spin van elk zwart gat voegt nog een complicerende factor toe. De spin wordt gekwantificeerd door een getal tussen nul en één. Als elk van de zwarte gaten in een fusie een lage spinwaarde heeft, zoals verwacht, dan zal hun samensmelting normaal gesproken een zwaarder zwart gat produceren waarvan de spin groot is, misschien rond de 0,7, maar de afgeleide spin van het massieve zwarte gat in GW190412 is goed vastgesteld op ongeveer 0,43, wat suggereert dat het niet uit zo'n simpele fusie is voortgekomen.

De astronomen beweren dat de meest waarschijnlijke manier om dit onwaarschijnlijke paar te produceren, is door twee eerdere samensmeltingen van zwarte gaten in de cluster, een proces dat uiteindelijk kan resulteren in een zwart gat met de juiste afgeleide spin. Eerst, twee binaire paren van zwarte gaten fuseren elk; elk van deze paren heeft zwarte gaten van vergelijkbare gematigde massa's en elk produceert een zwaarder zwart gat. Volgende, deze twee nieuwe zwarte gaten vormen zelf een binair paar en fuseren dan, het produceren van de ongeveer 30 zonnemassa, matige spin zwart gat zoals gezien. Dan vormt dat zwarte gat een combinatie met een zwart gat met een lage massa om het binaire getal te vormen waarvan de ineenstorting de gebeurtenis veroorzaakte die werd gezien als GW190412. (Vergelijkbare varianten met meerdere stappen zijn ook mogelijk.)

Hoewel een dergelijke reeks gebeurtenissen zeldzaam is, de wetenschappers laten zien dat bekende sterrenhopen de juiste omgevingen zouden kunnen bieden om het te laten plaatsvinden. Het nieuwe resultaat en de analyse, zoals in het geval van eerdere ontdekkingen van zwaartekrachtgolven, hebben onze kijk op kosmische verscheidenheid verruimd terwijl we fundamentele aannames overstegen. Een van die veronderstellingen is dat zwarte gaten typisch worden gevormd door stellaire ineenstorting met lage spins. Toekomstig werk zal uitwijzen of een fusieproces in drie stappen nodig is om gebeurtenissen zoals GW190412 te verklaren, of dat aannames zoals deze over spin in plaats daarvan moeten worden uitgedaagd.