Введение

Среди загадок Вселенной черные дыры занимают особое место. Эти космические гиганты не только притягивают материю, но и оставляют за собой следы, которые могут рассказать о их происхождении. Недавнее исследование, проведенное учеными из Университета Кардиффа, открывает новые горизонты в понимании формирования черных дыр, утверждая, что самые массивные из них не образовались привычным способом — от коллапса звезд, а возникли в результате серии разрушительных столкновений в плотных звездных кластерах.

Исследование черных дыр через гравитационные волны

Команда ученых, возглавляемая доктором Фабио Антонини из Школы физики и астрономии Университета Кардиффа, проанализировала четвертую версию каталога гравитационных волн LIGO–Virgo–KAGRA (GWTC4), в который вошли 153 надежно зафиксированных события слияния черных дыр. Исследователи стремились выяснить, могут ли самые тяжелые черные дыры в этом каталоге быть вторичными объектами, образовавшимися после слияния более ранних черных дыр в плотных ядрах звездных кластеров, где звезды могут быть упакованы в миллион раз плотнее, чем в окрестностях нашего Солнца.

Две разных популяции черных дыр

В ходе анализа данных гравитационных волн команда выявила две совершенно разные популяции черных дыр:

• Популяция с низкой массой: соответствует обычному коллапсу звезд.

• Популяция с высокой массой: имеет вращения, характерные для иерархических слияний в плотных звездных кластерах.

Доктор Исобель Ромеро-Шоу, соавтор исследования и Фелло Эрнеста Резерфорда в Университете Кардиффа, отметила: «Нас поразило, как четко выделяются высокомассивные черные дыры как отдельная популяция. В отличие от систем с низкой массой, которые обычно вращаются медленно, высокомассивные системы имеют более быстрое вращение, направленное в, казалось бы, случайных направлениях. Это именно тот признак, который можно ожидать, если черные дыры многократно сливаются в плотных звездных кластерах. Это делает гипотезу о кластерном происхождении черных дыр более убедительной, чем в предыдущих каталогах.»

Доказательства предсказанной «массовой пропасти»

Исследование также предоставило самые убедительные доказательства существования «массовой пропасти», где очень массивные звезды взрываются катастрофически, а не коллапсируют в черные дыры. Эта долго предсказанная теория описывает запрещенный диапазон масс для черных дыр, образованных непосредственно из звезд, где предполагается, что очень массивные звезды разрушаются, прежде чем они могут сформировать черные дыры. Команда выделила этот диапазон для черных дыр звездного происхождения весом более 45 солнечных масс.

Доктор Антонини добавил: «В нашем исследовании мы находим доказательства давно предсказанной пропасти массы парной нестабильности — диапазона масс, где звезды, как ожидается, не оставляют черных дыр вообще. Гравитационные волновые детекторы успешно нашли черные дыры, которые, по-видимому, находятся в этом диапазоне, который мы определяем около 45 солнечных масс. Таким образом, ключевой вопрос сейчас: говорят ли нам эти черные дыры о том, что наши модели звездной эволюции ошибочны, или они образуются иным способом?»

Подсказки к внутреннему строению звезд и ядерной физике

Команда также использовала этот переход, чтобы пролить свет на важную ядерную реакцию, связанную с горением гелия в массивных звездах. Доктор Фани Досопулу, исследователь Университета Кардиффа, подчеркнула: «В будущем данные о гравитационных волнах могут помочь ученым изучить ядерную физику, поскольку предельная масса, установленная парной нестабильностью, зависит от ядерных реакций, происходящих в ядрах массивных звезд.»

Заключение

Исследование черных дыр, проведенное международной командой ученых, открывает новые возможности для понимания их формирования и эволюции. Полученные данные не только подчеркивают важность гравитационной волновой астрономии, но и ставят новые вопросы о нашей модели звездной эволюции. Каковы следующие шаги в этой захватывающей области науки? Время покажет.