Ученые разгадали тайну «невозможного» слияния «запрещенных» черных дыр
- При покупке по ссылкам на наши статьи, Future и его партнеры по синдикации могут получить комиссию.
Ученые дошли до сути тайны «невозможного» слияния между черными дырами, которое было обнаружено с помощью ряби в пространстве-времени, называемой гравитационными волнами, еще в 2023 году.
Столкновение произошло на расстоянии около 7 миллиардов световых лет и включало в себя столкновение двух черных дыр, которые, казалось, были запрещены из-за их огромных масс и невероятной скорости вращения.
Эти черные дыры с массами в 100 и 140 раз больше массы Солнца и вращающимися почти со скоростью света не должны существовать в соответствии с современными теориями о том, как образуются «черные дыры звездной массы», когда массивные звезды коллапсируют и взрываются как сверхновые.
Исследователи из Центра вычислительной астрофизики Института Флэтирона (CCA) в Нью-Йорке решили эту головоломку, выполняя симуляции, которые воссоздали эволюцию этой системы через жизнь прародителей звезд вплоть до их гибели сверхновых. Это выявило простой фактор, который не был должным образом рассмотрен в процессе раньше: магнитные поля.
«Никто не рассматривал эти системы так, как мы; ранее астрономы просто использовали ярлык и пренебрегали магнитными полями, — сказал в своем заявлении лидер команды Оре Готлиб, астрофизик из CCA. — Но как только вы рассмотрите магнитные поля, вы действительно можете объяснить происхождение этого уникального события».
Не так уж и невозможно?
Гравитационные волны от этого столкновения «запрещенных» черных дыр были «услышаны» детекторами Земли LIGO, Virgo и KAGRA 23 ноября 2023 года, как сообщил Space.com в июле этого года.
Это потому, что звезды, которые могут умереть, чтобы оставить после себя черные дыры звездной массы, такие массивные, как эти, должны закончить свою жизнь с определенным типом сверхновой, называемой «сверхновой парной нестабильности», которая настолько же яростна, что ничего не остается, даже черная дыра.В результате этих сверхновых мы не ожидаем, что черные дыры образуются примерно в 70-140 раз больше массы Солнца.
Черные дыры могут существовать в этом массовом промежутке в результате предыдущего слияния между черными дырами, но исследователи исключили это для черных дыр, участвующих в столкновении, которое отправило сигнал GW231123, пульсирующий через пространство. Это потому, что слияния разрушают спин созданной «дочерней» черной дыры, но две черные дыры, участвующие в этом слиянии, все еще вращались со скоростью, близкой к скорости света, с максимальной скоростью, с которой черные дыры могут вращаться. Таким образом, исследователи пришли к выводу, что что-то другое, чем предыдущие слияния, должно учитывать огромные массы черных дыр-предшественников.
Готлиб и его коллеги начали исследовать, каким может быть этот механизм, сначала имитируя гигантскую звезду с массой примерно в 250 раз больше массы Солнца, которую они отслеживали через ее эволюцию вплоть до смерти сверхновой. Они обнаружили, что к этой конечной стадии звезда прожгла столько своего топлива, что она «снизилась» до 150 солнечных масс. Это оставило ее достаточно маленькой, чтобы оставить черную дыру после того, как она стала сверхновой.
Затем команда провела еще одну, более сложную симуляцию, факторинг в магнитных полях, которые играют роль в последствиях сверхновой. Эта вторая модель началась с остатков сверхновой в форме облака оставшегося звездного материала, переплетенного с магнитными полями. В основе этого обломка находилась черная дыра. До этого исследования ученые предполагали, что вся масса этого остатка материала будет потребляться новорожденной черной дырой. Как следствие, масса этой черной дыры вырастет, чтобы соответствовать массе массивной звезды-предшественника. Однако моделирование команды показало, что происходит что-то другое.
Готлиб и его коллеги вместо этого наблюдали, что после коллапса невращающейся звезды, образующей черную дыру, оставшийся материал действительно быстро падает в черную дыру. Но если звезда-предшественник вращается быстро, этот звездный обломок образует вращающееся, сплющенное облако вокруг новорожденной черной дыры, что заставляет ее вращаться все быстрее и быстрее, поскольку все больше и больше материала подается ей. В присутствии магнитных полей диск мусора испытывает давление, достаточно сильное, чтобы взорвать часть оставшейся материи от черной дыры почти со скоростью света.
Этот отток материала уменьшает массу диска, питающего черную дыру, и чем сильнее вовлечены магнитные поля, тем быстрее эта пластина звездного материала уносится от черной дыры. Если магнитные поля достаточно мощные, половина начальной массы звезды может быть взорвана. Чистый результат: слабое магнитное поле приводит к меньшему лишению материи и конечной черной дыре, которая находится в пределах массового разрыва.
Больше в науке
«Мы обнаружили, что присутствие вращения и магнитных полей может фундаментально изменить эволюцию звезды после коллапса, что делает массу черной дыры потенциально значительно ниже, чем общая масса коллапсирующей звезды», — сказал Готлиб.
Помимо решения головоломки этого «невозможного» слияния, моделирование команды предполагает связь между массой черной дыры и скоростью, с которой она вращается через силу магнитных полей вокруг нее. Сильные магнитные поля могут привести к более легким и медленно вращающимся черным дырам, в то время как более слабые магнитные поля могут привести к более массивным и более быстро вращающимся черным дырам.
Исследование также может предложить астрономам способ проверить эту связь. Команда обнаружила, что создание этих черных дыр с массовым разрывом связано с всплеском гамма-лучей, которые можно обнаружить. Если такое обнаружение будет сделано, ученые сделают важный шаг вперед в нашем понимании черных дыр.
Исследование было опубликовано в среду (12 ноября) в журнале Astrophysical Journal Letters.
