«Пропавшие» чёрные дыры существуют, и ученые теперь знают почему

Фото из открытых источников

Появились самые убедительные на сегодняшний день доказательства существования недостающей полосы масс черных дыр, причем этот пробел начинается примерно в 45 раз превышающей массу Солнца.

Данное исследование проясняет давнюю загадку о том, как формируются самые большие чёрные дыры в звёздах и почему некоторые из них, по-видимому, вообще не образуются. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

В последнем каталоге гравитационных волн выделялась одна особенность: более мелкие члены пар черных дыр перестали появляться при массе более 45 солнечных масс. Анализируя сигналы слияния, Хуэй Тонг из Университета Монаша показал, что исчезновение этой популяции обозначает реальную границу, а не статистическую случайность.

Разрыв не наблюдался с обеих сторон двойной системы, что означает, что более тяжелые черные дыры все еще могут попасть в запрещенный диапазон в результате более ранних слияний. Эта неравномерная картина ставит следующий вопрос, на который предстояло ответить в статье: почему звезды стирают одну сторону спектра масс, в то время как столкновения заполняют другую.

Звездные модели давно предсказывали существование запретной зоны, поскольку некоторые гигантские звезды теряют давление и запускают неуправляемое горение кислорода. Этот коллапс может спровоцировать сверхновую, вызванную парной нестабильностью, — взрыв, который полностью уничтожает звезду, не оставляя после себя черной дыры.

Вместо того чтобы оставить после себя остаток черной дыры, звезда исчезает, в результате чего образуется недостающая полоса, которую исследователи ожидали увидеть. На протяжении десятилетий циркулировало это объяснение, но до сих пор небо не давало четкой, общенациональной картины.

Поскольку пары, образовавшиеся в результате слияния, упорядочены по размеру, более лёгкий член группы представляет собой более надёжный критерий обычного звёздного рождения. Любая черная дыра, образовавшаяся в результате повторного столкновения в прошлом, обычно проявляется как более тяжелый объект, маскируя зазор с этой стороны.

Меньшие по размеру звезды-компаньоны реже подвергаются переработке, поэтому их недостающая масса позволяет увидеть, что звезды до сих пор не произвели.

«Единственные черные дыры в этом диапазоне масс образуются в результате слияния меньших черных дыр, а не непосредственно из звезд», — сказал Тонг.

Ещё одной подсказкой послужила скорость вращения чёрных дыр перед завершением слияний. При массе, приблизительно равной той, при которой более лёгкие объекты исчезают, более тяжёлые объекты, как правило, вращались быстрее.

Такое совпадение лучше соответствовало иерархическим слияниям, повторяющимся столкновениям, в результате которых черная дыра образуется из ранее образованных черных дыр, чем просто прямому коллапсу. Согласно этой интерпретации, недостающая полоса на самом деле не пуста, она частично заполняется переработанными черными дырами.

Когда команда пересмотрела отдельные слияния, четыре события выделились как особенно вероятные результаты более ранних слияний типа «черной дыры». В таких системах более тяжелая черная дыра внутри запрещенной зоны сочетается с меньшей по размеру черной дырой, расположенной ниже.

Одно из известных событий слияния черных дыр, получившее название GW190521, не попало в эту группу объектов, поскольку за образовавшимся разрывом мог находиться другой объект. Такая осторожность позволяет сохранить нижний край устойчивым, в то время как дальняя сторона зазора остается гораздо менее устойчивой.

Этот недостающий диапазон масс черных дыр также указывает на то, что происходит внутри массивных звезд, когда они приближаются к концу своей жизни. Определив нижний предел вблизи 44 солнечных масс, команда сузила допустимый диапазон интенсивности одной важной ядерной реакции.

Эта реакция помогает определить, сколько кислорода звезда накапливает перед катастрофой, что влияет на то, закончится ли коллапс взрывом или образованием остатка. В астрономии редко проводят измерения в ядерной физике таким способом, поэтому отсутствующие черные дыры теперь служат источником данных изнутри мертвых звезд.

Первоначальные признаки обрыва связи с черной дырой исчезли, когда более поздние обнаружения выявили более тяжелые черные дыры, поэтому это утверждение должно было выдержать более суровую проверку. Теперь нижняя граница сохраняется даже после исключения самого экстремального слияния в каталоге, которое в основном затрагивает верхнюю границу.

Команда с вероятностью 99,9% исключила возможность узкого или отсутствующего разрыва, что является гораздо более убедительным утверждением, чем предыдущие предположения. Тем не менее, определение границы запретной зоны по-прежнему в значительной степени зависит от одного исключительного события и остается предварительным.

В комментариях общественности после публикации повторялся главный тезис статьи, и статистический результат был превращен в обычную речь.

«Это наблюдение хорошо объясняется парной нестабильностью; в запрещенной зоне нет черных дыр звездного происхождения, потому что звезды переживают сверхновые, вызванные парной нестабильностью», — сказал Тонг.

За этой простой фразой скрывается более широкое утверждение исследования: разрыв образуется скорее в результате разрушения звезд, чем в результате образования черных дыр.

Поскольку этот разрыв находится на известном масштабе масс, будущие каталоги смогут использовать его для оценки расширения космоса. Аналогичная закономерность может также указывать на места, где чаще всего происходят повторные слияния, особенно в плотных звездных средах.

Дополнительные исследования должны также показать, остаются ли направления вращения расположенными случайным образом, что является одним из признаков того, что черные дыры встречаются в результате случайных столкновений. Если эти проверки не пройдут, астрономам потребуется другое объяснение того, почему более светлые компаньоны исчезают там, где, согласно теории, они должны были бы исчезнуть.

Отсутствие полосы поглощения, более быстрое вращение и ряд необычных слияний теперь указывают на одну и ту же историю об умирающих гигантских звездах. Следующий цикл наблюдений должен показать, останется ли эта запрещенная зона четкой или же ее структура смягчится с увеличением объема данных.