Астрономи вперше знайшли переконливі докази існування «забороненого» діапазону мас чорних дір, у якому не утворюються нові чорні діри. Його нижня межа виявилася на рівні 45 мас Сонця, а виявити його вдалося завдяки вивченню гравітаційних хвиль від подвійних систем чорних дір. Відкриття допоможе зрозуміти, що стається з масивними зорями наприкінці їхнього життя та як вони впливають на хімію Всесвіту, коли вибухають замість перетворення на чорну діру. Дослідження опублікували в журналі Nature.
Хто і що «забороняє» чорним дірам?
У теорії розвитку масивних зір давно передбачають, що чорні діри не можуть мати будь-які значення маси. За підрахунками науковців, має існувати «заборонений» діапазон приблизно від 50 до 130 мас Сонця, у якому чорні діри майже не утворюються. Його пов’язують із явищем, коли в дуже гарячих ядрах масивних зір енергія світла може перетворюватися на пари частинок — електрон і позитрон. Через це зменшується тиск усередині зорі, вона втрачає стійкість, різко стискається і вибухає настільки сильно, що може повністю зруйнуватися без утворення чорної діри.
Попри ці теоретичні передбачення, довгий час спостережних доказів існування такого «забороненого» діапазону не було. Навіть навпаки — науковці засумнівалися в ранніх обмеженнях мас чорних дір близько 45 мас Сонця після відкриття більш масивних чорних дір. Пояснити цей розрив між теоретичними та спостережуваними масами чорних дір спробувала міжнародна команда астрофізиків на чолі з фахівцями Університету Монаша в Австралії.
Як вдалося виявити «заборонений» діапазон?
Дослідники використали дані детекторів гравітаційних хвиль LIGO–Virgo–KAGRA, які фіксують коливання простору-часу під час злиття чорних дір. Для цього проаналізували найбільший на сьогодні каталог таких подій GWTC-4. Для відновлення розподілу мас науковці застосували статистичні методи, які враховують похибки вимірювань і те, що деякі події легше виявити, ніж інші. Окремо розглядали маси більшої та меншої чорної діри в кожній парі, щоб перевірити, чи є проміжок мас, де об’єкти трапляються рідше.
У результаті науковці отримали переконливі докази існування розриву в розподілі мас із нижньою межею приблизно від 44 до 45 мас Сонця. Важливо, що цей «заборонений» діапазон добре видно саме для менших чорних дір у парах, тоді як розподіл мас більших чорних дір залишається рівним і без розривів. Це означає, що чорні діри такої маси рідко утворюються напряму під час колапсу зір.
Натомість об’єкти, які все ж потрапляють у цей діапазон, імовірно, виникають іншим шляхом через повторні злиття чорних дір. Такий варіант узгоджується і з іншими спостереженнями: утворені внаслідок злиття чорні діри зазвичай швидше обертаються, що й помічали в тих дір, які потрапляють у «заборонений» діапазон мас. Окрім підтвердження існування цього «забороненого» діапазону, його положення дозволило науковцям уточнити однієї з ключових ядерних реакцій у зорях — перетворення вуглецю на кисень.
Як результати змінюють уявлення про чорні діри?
Отримані результати дають перші переконливі спостережні докази існування «забороненого» діапазону мас чорних дір, який раніше був лише теоретичним і який не вдавалося підтвердити під час спостереження за подвійними чорними дірами. Вони також допоможуть краще зрозуміти, як саме формуються чорні діри й еволюціонують масивні зорі.
На додачу до цього, положення цього «забороненого» діапазону дозволяє оцінити швидкість ключової ядерної реакції в зорях — перетворення вуглецю на кисень, яка визначає, які елементи утворюються у Всесвіті. Це напряму пов’язує популяцію чорних дір із процесами всередині масивних зір і формуванням хімічного складу Всесвіту.
Про що розповідають гравітаційні хвилі
🕳 За допомогою гравітаційних хвиль науковцям вдалося зафіксувати найбільше злиття чорних дір. Щоправда, потім астрономи засумнівалися у відкритті та припустили, що результати викривило гравітаційне лінзування іншої галактики.
🔊 Астрофізикам вдалося також виміряти гравітаційний шум, який набагато «тихіший» за гравітаційні хвилі та впливає на ритм коливання пульсарів.
🧲 Щоб виявляти більше подій, пов’язаних з активністю чорних дір, науковці запропонували для фіксації гравітаційних хвиль використовувати надпровідні магніти, якими зараз «ловлять» темну матерію.