Магнитные поля могут объяснить «невозможное» слияние черных дыр

Фото из открытых источников

В 2023 году детекторы гравитационных волн зафиксировали сигнатуру столкновения на расстоянии 7 миллиардов световых лет. Две чёрные дыры слились во взрыве искривлённого пространства-времени, но, проанализировав данные, астрономы обнаружили нечто, нарушающее законы физики.

Черные дыры вращались быстрее, чем когда-либо наблюдалось ранее, и попадали в диапазон масс, в котором черные дыры просто не должны существовать.

Когда массивные звёзды достигают конца своего существования, многие из них коллапсируют и взрываются, образуя сверхновые, оставляя после себя чёрные дыры. Но звёзды в определённом диапазоне масс, примерно от 70 до 140 масс Солнца, постигает иная судьба.

Они переживают парную нестабильность, превращаясь в сверхновые, взрывы такой силы, что звезда полностью уничтожается, не оставляя после себя ничего. Никаких остатков. Никаких чёрных дыр. Только пустое пространство.

Столкновение, известное как GW231123, бросило вызов этому фундаментальному правилу. Обе чёрные дыры обладали массами, которые помещали их прямо в эту запрещённую зону, и вращались почти со скоростью света, увлекая за собой пространство-время, словно водовороты.

Оре Готлиб и его коллеги из Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон обнаружили то, что все остальные упустили из виду, а именно магнитные поля.

Предыдущие моделирования пошли по пути сокращения, игнорируя роль магнетизма в хаотических последствиях взрыва сверхновой. Это упущение оказалось критическим. Команда провела компьютерное моделирование, отслеживая гигантскую звезду с массой в 250 масс Солнца на протяжении всего её жизненного цикла.

К моменту взрыва такой звезды ядерное горение уменьшает её массу примерно до 150 солнечных масс, что чуть выше запрещённой зоны. Когда звезда коллапсирует, она образует вращающийся диск из остатков звёздного материала, пронизанный магнитными полями, с новорождённой чёрной дырой в центре.

Вращающийся диск обычно поставляет вещество в черную дыру, но сильные магнитные поля оказывают давление на этот диск, выбрасывая до половины массы звезды почти со скоростью света.

Это значительно уменьшает конечную массу черной дыры, задвигая ее в предположительно запрещенную щель масс и одновременно влияя на скорость ее вращения.

Моделирование показало, что более сильные магнитные поля создают более лёгкие и медленно вращающиеся чёрные дыры, в то время как более слабые поля позволяют создавать более тяжёлые и быстро вращающиеся чёрные дыры. Эта взаимосвязь предполагает, что чёрные дыры следуют закономерности, связывающей их массу и вращение, что открывает новый способ понять, как формируются эти звёздные гиганты.

В работе также предсказывается, что такие образования должны производить наблюдаемые гамма-всплески, что дает возможность проверить эти идеи и выяснить, насколько распространенными на самом деле могут быть эти «невозможные» черные дыры.