Рябь в пространстве-времени показывает, что некоторые черные дыры «запрещены»

Фото из открытых источников

Как доказать, что в невообразимо огромной Вселенной определённые объекты не существуют? Этот вопрос мучает учёных, изучающих гравитационные волны — рябь в пространстве-времени, возникающую при слиянии двух массивных объектов, таких как чёрные дыры. Десятилетиями теоретики считали, что, как ни парадоксально, звёзды в определённом диапазоне очень больших масс просто не могут коллапсировать, образуя чёрные дыры. Но астрономы, изучающие гравитационные волны, до сих пор не обнаружили никаких доказательств существования такого «массового разрыва» — до настоящего момента.

«То, что они наблюдают, в значительной степени совпадает с нашими прогнозами», — говорит Стэнфорд Вусли, теоретический астрофизик из Калифорнийского университета в Санта-Крузе (UCSC), который в начале 2000-х годов, используя теоретические модели, приблизительно предсказал наблюдаемый диапазон масс. «Лично я очень рад это видеть».

Когда массивная звезда исчерпывает своё топливо, она коллапсирует до ничтожно малой точки, оставляя после себя лишь невероятно мощные гравитационные поля — чёрную дыру. Но ещё в 1960-х годах физики впервые выдвинули теорию о том, что особенно массивные звёзды могут умирать и другим способом — взрываясь с такой силой, что полностью разрываются на части, рассеивают своё вещество повсюду и не оставляют после себя ничего, даже чёрной дыры.

Это происходит потому, что самые большие звезды могут избежать внутреннего коллапса благодаря огромному давлению, создаваемому светом внутри них. Если звезда достаточно нагревается, частицы, составляющие этот свет, называемые фотонами, начинают спонтанно превращаться в пары электронов и позитронов, что снижает давление, поддерживающее звезду. В конце концов, гравитация на короткое время преодолевает давление, сжимая ядро звезды, пока оно не воспламенится и не взорвется, превратившись в яркую сверхновую.

Астрономы считают, что это явление, называемое парной нестабильностью, происходит со звездами в «запретном диапазоне» после их гибели. «Они не оставляют после себя черную дыру, — говорит астрофизик из Университета Торонто Майя Фишбах, соавтор новой статьи. — Вместо этого вся звезда просто взрывается, не оставляя после себя ничего». Это предсказание привело к многолетней загадке: насколько большими должны быть звезды, чтобы самоуничтожиться после смерти?

С 2015 года у ученых появилась возможность решать эту проблему с помощью наблюдений. Такие инструменты, как Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO), станции которой расположены в Луизиане и штате Вашингтон, и интерферометр Virgo в Италии, смогли обнаружить невероятно слабые гравитационные волны, возникающие при слиянии двух черных дыр. За последнее десятилетие LIGO и Virgo зафиксировали сотни таких слияний черных дыр, определив по ряби массы и спины сливающихся черных дыр. Таким образом, в принципе, исследователям достаточно лишь посмотреть, существует ли большой разрыв в спектре масс черных дыр.

Однако есть один существенный нюанс. Как показывают наблюдения LIGO и Virgo, две меньшие черные дыры могут сливаться, образуя одну большую, и более тяжелые черные дыры «второго поколения», образующиеся в результате таких слияний, могут заполнить этот так называемый верхний разрыв в массах. (Возможно, существует также нижний разрыв в массах, вызванный звездами, слишком малыми для образования черных дыр.) Просто взглянув на массы всех наблюдаемых черных дыр, мы не видим очевидного разрыва.

Чтобы обойти эту проблему, Фишбаху и его коллегам пришлось провести более глубокое исследование. Они изучили 153 слияния с участием тяжелых черных дыр. Важно отметить, что они игнорировали массу более тяжелой черной дыры в каждой паре сливающихся звезд и вместо этого сосредоточились на массе более легкой, поскольку она с большей вероятностью являлась черной дырой первого поколения, образовавшейся в результате коллапса звезды. И действительно, они обнаружили диапазон масс — начиная примерно с 44 масс Солнца — при которых звезды не образуют черные дыры, о чем они пишут в статье, опубликованной в журнале Nature.

Хотя исследователи и обнаружили несколько черных дыр массой около 90 солнечных масс, измерения скорости вращения этих черных дыр оказались быстрее, чем предполагалось, что указывает на их образование в результате предыдущего слияния двух меньших черных дыр.

«Представленная авторами история не содержит существенных недостатков и согласуется со всем, что нам известно», — говорит Райан Фоли, астроном из Калифорнийского университета в Санта-Круз. Джуна Крун, астрофизик-частицевед из Даремского университета, не участвовавшая в новой работе, говорит, что диапазон масс, представленный в этой статье, «является невероятно интересным предсказанием на стыке физики элементарных частиц, ядерной физики, звездной эволюции и гравитационно-волновой астрономии».

Фишбах надеется использовать будущие наблюдения для более точного измерения границ массового зазора, что прольет больше света на фундаментальную физику внутри звезд. Но она также отмечает, что невозможно с уверенностью сказать, насколько действительно запрещен этот «запретный диапазон». «Можем ли мы действительно утверждать, что массивные звезды абсолютно никогда не образуют эти черные дыры?» — спрашивает она. «Вселенная — это очень большое место, и там могут быть действительно странные звезды».