Наблюдения гравитационных волн подтвердили наличие «провалов масс» в черных дырах

Новости МирТесен

Астрономы впервые применили гравитационные волны для косвенной оценки характеристик одного из важнейших процессов термоядерного горения в массивных звёздах. Этот процесс определяет, какие звёзды взрываются, какие превращаются в чёрные дыры, и как во Вселенной формируются углерод и кислород — элементы, необходимые для существования планет и жизни.

На протяжении долгого времени астрономы высказывали предположения о наличии во Вселенной так называемых «пробелов в массе» черных дыр (ЧД). Теоретически, звезды с определенной массой не должны напрямую превращаться в ЧД. Этому препятствует редкий вид разрушительных взрывов, известных как парно-нестабильная сверхновая. Внутри очень массивных звезд гамма-излучение начинает генерировать пары электрон-позитрон, что приводит к снижению давления и, как следствие, к частичному уменьшению массы звезды или ее полному разрушению.

В связи с этим должна формироваться «запретная зона»: черные дыры массой от 40 до 130 солнечных масс, образовавшиеся из одиночных звезд, практически не должны существовать. Детекторы LIGO, Virgo и KAGRA уже несколько лет регистрируют слияния объектов, которые, судя по всему, попадают именно в этот диапазон. Астрофизики обсуждали: либо существующая теория требует доработки, либо такие черные дыры возникают нетрадиционным способом, например, посредством повторных слияний в плотных звездных скоплениях.

Авторы нового исследования, опубликованного в журнале Nature Astronomy, проанализировав обширный каталог гравитационно-волновых событий GWTC-4, содержащий данные о 153 слияниях черных дыр, астрономы исследовали не только массы объектов, но и их угловые скорости. В результате выяснилось, что большинство черных дыр с массой менее 45 солнечных масс демонстрируют относительно небольшую скорость вращения и имеют схожую ориентацию – подобное поведение характерно для объектов, образовавшихся в ходе коллапса звезд. Однако для более массивных объектов, превышающих указанную величину, наблюдается иная картина: черные дыры вращаются быстрее, а направления их вращения становятся более разнообразными.

Подобное поведение вполне соотносится с моделью «иерархических слияний», в которой черные дыры в плотных шаровых скоплениях могут многократно сталкиваться и объединяться. Это приводит к формированию объектов, которые способны компенсировать гипотетический дефицит массы. Многократные слияния также закономерно порождают быстро вращающиеся черные дыры с непредсказуемой ориентацией осей — и именно это зафиксировали астрономы.

Нижняя граница запретной зоны оценивается приблизительно в 44 солнечных массы. Примечательно, что по этой границе удалось определить скорость ядерной реакции, в ходе которой углерод в недрах звезды превращается в кислород. Эта реакция остается одной из главных нерешенных задач в астрофизике: ее измерение в лабораторных условиях затруднено, поскольку воспроизвести условия, царящие внутри звезд, на Земле практически невозможно. Теперь роль гигантской лаборатории исполнила сама Вселенная.

Ученым удалось определить значение S-фактора – показателя, характеризующего вероятность взаимодействия углерода с гелием. Этот параметр влияет на химический состав ядра звезды до момента взрыва: скорость преобразования углерода в кислород определяет, насколько рано возникнет парная нестабильность и насколько легче звезде разрушиться, не образовав чёрную дыру. Фактически, гравитационные волны предоставили возможность опосредованно оценить процессы, протекающие в горячих ядрах звезд на протяжении миллионов лет до их гибели.

Данное открытие затрагивает сразу несколько научных направлений, включая гравитационно-волновую астрономию, физику черных дыр, эволюцию звёзд и ядерную физику. Полученные данные способны прояснить процессы формирования химических элементов в галактиках и объяснить, почему одни звезды превращаются в нейтронные звёзды, а другие — в чёрные дыры.

По мере появления новых каталогов гравитационных волн точность этих оценок будет повышаться, что позволит астрономам проводить более детальное исследование процессов, ранее доступных только в рамках теоретических моделей.