Ученые-астрофизики выяснили, как образовались «невозможные» черные дыры, слияние которых было зафиксировано в 2023 году. Согласно свежему моделированию, их возникновение обусловлено магнитными полями – фактором, который до этого не принимался во внимание.
В 2023 году обсерватории гравитационных волн LIGO, Virgo и KAGRA зафиксировали столкновение двух черных дыр на расстоянии около семи миллиардов световых лет от Земли. Это событие под названием GW231123 озадачило астрофизиков. Масса и скорость вращения слившихся объектов не соответствовали существующим теориям. Такие черные дыры просто не должны были существовать.
Суть проблемы крылась в так называемом массовом разрыве. Согласно расчетам, звезды с определенным диапазоном масс в конце своего жизненного цикла взрываются как сверхновые особого типа – парно-нестабильные. Этот взрыв обладает настолько колоссальной мощностью, что приводит к полному уничтожению звезды, не оставляя после себя никаких остатков, даже черной дыры. В связи с этим, астрономы не предвидят обнаружения черных дыр массой приблизительно от 70 до 140 масс Солнца. Объекты, зафиксированные в результате события GW231123, попадали в этот «запретный» диапазон.
Согласно теории, черная дыра может оказаться в массовом зазоре, если возникла в результате слияния менее массивных объектов. Однако подобное событие, как правило, приводит к нарушению вращения получившегося объекта. Черные дыры, обнаруженные в GW231123, демонстрировали вращение, близкое к максимально допустимому, и искажали пространство-время. Сочетание значительной массы и быстрого вращения позволило предположить, что существующие модели не учитывают какой-то существенный фактор.
Ученые-астрофизики высказали предположение, что магнитные поля, воздействующие на звезды в процессе коллапса, являются тем фактором, который ранее не принимался во внимание. Результаты опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.
Чтобы подтвердить выдвинутую гипотезу, команда исследователей выполнила детальное компьютерное моделирование, состоящее из двух этапов. На первом этапе ученые отследили эволюцию массивной звезды, чья первоначальная масса была в 250 раз больше массы Солнца. Перед коллапсом звезда сократила свою массу за счет потери вещества, и ее вес составил приблизительно 150 солнечных масс. Этот показатель незначительно выходит за пределы верхней границы массового зазора, что дает возможность звезде после взрыва сформировать черную дыру.
На втором этапе астрофизики разработали более детализированную симуляцию коллапса, включив в нее вращение звезды и магнитные поля. Ранее существовавшие модели исходили из предположения, что после формирования черной дыры все остатки звездного вещества падают на нее. Однако, новое моделирование представило иную картину: если звезда, находящаяся в процессе коллапса, обладала высокой скоростью вращения, окружающее ее облако неиспользованного материала формировало вращающийся диск.
В этом диске магнитные поля генерировали давление, которое выталкивало часть вещества за его пределы в виде интенсивных струй, или джетов, перемещающихся почти со скоростью света. Данные выбросы снижали объем материала, который мог быть поглощен черной дырой. Интенсивность эффекта была пропорциональна напряженности магнитного поля: чем оно выше, тем больше вещества выбрасывалось.
Согласно проведенному моделированию, мощные магнитные поля способны вытолкнуть до половины исходной массы звезды в космическое пространство. Это приводило к тому, что масса новорожденной черной дыры оказывалась существенно ниже, и она соответствовала наблюдаемому массовому диапазону.
Проведенное исследование показало, что существует взаимосвязь между массой черной дыры и скоростью ее вращения. Мощные магнитные поля не только способствовали потере массы, но и замедляли вращение, что приводило к формированию черных дыр с меньшей массой и меньшей скоростью вращения. С другой стороны, слабые поля позволяли объекту увеличивать массу и достигать высокой скорости вращения. Этот механизм объясняет характеристики объектов, входящих в систему GW231123.
Обозначенный подход также указывал на то, что формирование быстро вращающихся массивных черных дыр должно быть связано с выбросами гамма-излучения. Дальнейшие исследования позволят подтвердить эту гипотезу и глубже изучить природу наиболее экстремальных образований в космосе.