Гравитационные волны подтвердили бесследное исчезновение некоторых звезд

Некоторые звезды настолько массивны, что взрываясь, не оставляют после себя черной дыры. Это теоретическое предсказание наконец получило наблюдательные подтверждения.

Когда массивная звезда сжигает все свое топливо, она сжимается в бесконечно малую точку, оставляя после себя лишь невероятно сильное гравитационное поле — черную дыру. Однако еще в 1960-х годах физики выдвинули теорию, что особенно крупные звезды могут погибнуть иначе: взорваться с такой чудовищной силой, что все вещество разлетится в округе, не оставив ничего, даже черной дыры.

Самые массивные звезды способны избежать внутреннего коллапса благодаря огромному давлению, создаваемому светом внутри них. Если нагрев достаточно велик, фотоны начинают спонтанно превращаться в пары «электрон-позитрон», и это снижает давление, которое удерживает светило от сжатия. В конце концов, гравитация ненадолго берет верх, сжимая ядро звезды так сильно, что оно вспыхивает яркой сверхновой.

Это явление, называемое парной нестабильностью, происходит со звездами из «запрещенного диапазона», когда они умирают. «После них не остается черной дыры. Вместо этого звезда просто взрывается целиком, не оставляя после себя вообще ничего», — говорит астрофизик Майя Фишбах из Университета Торонто, одна из авторов нового исследования.

Это предсказание десятилетиями не давало ученым покоя: насколько большой должна быть звезда, чтобы самоуничтожиться в ходе гибели? С постройкой гравитационных детекторов появилась возможность узнать это из наблюдений.

За последнее десятилетие гравитационные обсерватории LIGO и Virgo зарегистрировали сотни столкновений черных дыр, определяя их «отзвукам» массы и спины сливающихся объектов. Фишбах и ее коллеги проанализировали 153 таких события, результатами чего поделились в Nature. В каждом из них они целенаправленно выбирали меньшую из черных дыр, потому что бóльшая могла сама по себе быть результатом предыдущего слияния (черная дыра «второго поколения»).

Анализ показал, что запрещенный диапазон масс звезд, которым уготована судьба взорваться без следов, начинается примерно от 44 солнечных.

Обнаружено несколько черных дыр с массой, приближающейся к 90 солнечным. Но они вращаются так быстро, что скорее всего образовались в результате слияния меньших черных дыр — что лишь подтверждает выкладки ученых.

«То, что они видят, практически точно соответствует нашим предсказаниям. Лично я очень рад, что это наконец подтвердилось», — признался астрофизик-теоретик Стэнфорд Вусли из Калифорнийского университета в Санта-Крузе, который в начале 2000-х предсказал с помощью теоретических моделей примерно тот же диапазон масс.

Фишбах осторожнее в своих выводах. «Можем ли мы с полной уверенностью утверждать, что массивные звезды никогда, ни при каких обстоятельствах не превращаются в черные дыры? Вселенная огромна, и в ней, возможно, есть какие-то очень странные звезды», — подытожила она.