«Невозможному» слиянию двух массивных черных дыр нашли объяснение

Мощный космический катаклизм был зафиксирован в 2023 году. Примерно в 7 миллиардах световых лет от нас столкнулись две беспрецедентно тяжелые черные дыры. Экстремальная масса и скорость вращения этих объектов поставили ученых в тупик. Считалось, что подобные черные дыры не могут существовать.

Похоже, астрофизики нашли объяснение аномальному событию. Они провели комплексное моделирование, которое проследило историю системы от рождения звезд-прародительниц до их гибели, в котором учли упущенный ранее фактор — магнитные поля. Результаты вышли на страницах The Astrophysical Journal Letters.

«Никто не рассматривал эти системы так, как мы — ранее астрономы шли по легкому пути и пренебрегали магнитными полями. Но как только учитываешь магнитные поля, становится возможным объяснить происхождение этого уникального события», — пояснил астрофизик Оре Готтлиб из Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон, ведущий автор исследования.

Столкновение, получившее обозначение GW231123, было обнаружено коллаборацией LIGO-Virgo-KAGRA с помощью детекторов, измеряющих гравитационные волны — колебания пространства-времени, вызываемые движением массивных объектов.

«Невозможное» событие

В то время астрономы не могли понять, как возникли столь крупные и быстро вращающиеся черные дыры. Когда массивные звезды подходят к концу своего жизненного цикла, многие из них коллапсируют и взрываются как сверхновые, оставляя после себя черную дыру. Однако при определенной массе гибнущей звезды она может стать так называемой парно-стабильной сверхновой — и после такого взрыва не остается ничего.

«В результате таких сверхновых черные дыры, как ожидается, не должны формироваться в массовом диапазоне примерно от 70 до 140 масс Солнца, — уточнил Готтлиб. — Поэтому обнаружение черных дыр с массами в этом промежутке вызвало недоумение».

Черные дыры в этом запретном интервале масс могут образовываться косвенным путем, при слиянии двух черных дыр в одну более крупную, но в случае GW231123 ученые сочли этот сценарий маловероятным. Процесс слияния черных дыр весьма хаотичен и часто нарушает вращение образовавшейся черной дыры. Объекты системы GW231123 оказались самыми быстро вращающимися из когда-либо наблюдавшихся LIGO, они закручивали окружающее пространство-время почти со скоростью света. Существование двух черных дыр таких размеров и с такой скоростью вращения казалось невероятным, поэтому ученые предположили, что тут замешан какой-то другой механизм.

Компьютерное моделирование состояло из двух частей. На первом этапе реконструировали жизненный цикл гигантской звезды массой в 250 солнечных на основной стадии — от начала горения водорода до его исчерпания и коллапса в сверхновую. К моменту взрыва такое светило успевает сжечь достаточно топлива, чтобы «похудеть» до 150 солнечных масс, что чуть выше запретного интервала и достаточно для образования черной дыры.

Вторая, более сложная серия моделей, учитывавшая магнитные поля, изучала последствия взрыва сверхновой. Модель начиналась с остатков сверхновой — облака звездного материала, пронизанного магнитными полями, с черной дырой в центре. Ранее астрономы полагали, что все вещество облака падает на новорожденную черную дыру, так что ее конечная масса соответствует массе звезды перед коллапсом. Однако симуляция дала иной результат.

Давление магнитного поля

Если звезда не вращается, сжимаясь в черную дыру, облако остаточного вещества стремительно поглощается ею. Однако если исходная звезда крутится достаточно быстро, это облако формирует вращающийся диск, который раскручивает черную дыру еще сильнее по мере падения вещества в ее бездну. При наличии магнитных полей они оказывают давление на диск из обломков. Этого давления хватает, чтобы отбрасывать часть материала прочь от черной дыры почти со скоростью света.

Соответственно в диске остается меньше материи. Если магнитное поле очень сильное — улететь может до половины исходной массы. И такой сценарий допускает образование черной дыры с массой в пределах запретного диапазона.

«Мы обнаружили, что наличие вращения и магнитных полей может коренным образом изменить эволюцию звезды после коллапса, в результате чего масса черной дыры может оказаться существенно меньше общей массы коллапсировавшей звезды», — сказал Готтлиб.

По его словам, полученные результаты указывают на связь между массой черной дыры и скоростью ее вращения. Сильные магнитные поля способны замедлить черную дыру и уносить часть звездного вещества, создавая более легкие и медленно вращающиеся черные дыры. Слабые поля позволяют формироваться более тяжелым и быстро вращающимся объектам. Это дает основание предположить существование определенной закономерности, связывающей их массу и вращение.

Моделирование также показывает, что при возникновении таких черных дыр должны быть всплески гамма-излучения. Поиск этих вспышек помог бы подтвердить предложенный механизм формирования подобных объектов и показать, насколько они распространены во Вселенной. Пока что GW231123 — единственная система, укладывающаяся в представленную модель.