|
Невозможное слияние двух черных дыр обьяснили
|
|
|
|
В 2023 году астрономы зафиксировали мощное столкновение. Две беспрецедентно массивные черные дыры столкнулись примерно в 7 миллиардах световых лет от нас. Огромные массы и экстремальные скорости вращения черных дыр озадачили астрономов. Предполагалось, что таких черных дыр не должно было существовать.
|
|
|
|
Теперь астрономы из Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрона (CCA) и их коллеги выяснили, как именно могли образоваться и столкнуться эти черные дыры. Проведенное астрономами всестороннее моделирование, которое прослеживает систему от жизни родительских звезд до их окончательной гибели, выявило недостающую деталь, которую упускали из виду предыдущие исследования: магнитные поля.
|
|
|
|
"Никто не рассматривал эти системы так, как это делали мы; ранее астрономы просто обходили их стороной и пренебрегали магнитными полями", - говорит Руд Готлиб, астрофизик из CCA и ведущий автор нового исследования, опубликованного в Astrophysical Journal Letters. "Но как только вы рассмотрите магнитные поля, вы действительно сможете объяснить происхождение этого уникального события".
|
|
|
|
Столкновение, обнаруженное в 2023 году, теперь известное как GW231123, наблюдалось коллаборацией LIGO-Virgo-KAGRA с помощью детекторов, которые измеряют гравитационные волны - рябь в пространстве-времени, вызванную движением массивных объектов.
|
|
|
|
|
|
|
В то время астрономы не могли понять, как появились такие большие и быстро вращающиеся черные дыры. Когда срок службы массивных звезд подходит к концу, многие из них коллапсируют и взрываются как сверхновые, оставляя после себя черные дыры. Но если масса звезды попадает в определенный диапазон, возникает сверхновая особого типа. Этот взрыв, называемый сверхновой с парной нестабильностью, настолько сильный, что звезда аннигилирует, не оставляя после себя ничего.
|
|
|
|
"Мы не ожидаем, что в результате этих вспышек сверхновых образовались черные дыры, масса которых примерно в 70-140 раз превышает массу Солнца", - говорит Готлиб. "Поэтому было странно видеть черные дыры с массой внутри этого промежутка".
|
|
|
|
Черные дыры в этом промежутке массы могут образовываться косвенно, когда две черные дыры сливаются, образуя более крупную черную дыру, но в случае с GW231123 ученые сочли это маловероятным. Слияние черных дыр - чрезвычайно хаотичное событие, которое часто нарушает вращение образующейся в результате черной дыры. Черные дыры GW231123 были самыми быстрыми вращающимися объектами, замеченными LIGO, они вращали пространство-время вокруг себя почти со скоростью света. Две черные дыры такого размера и вращения невероятно маловероятны, поэтому астрономы предположили, что здесь должно быть что-то еще.
|
|
|
|
Готлиб и его коллеги провели исследование, проведя два этапа компьютерного моделирования. Сначала они смоделировали гигантскую звезду, масса которой в 250 раз превышает массу Солнца, на протяжении основного этапа ее жизни, от того момента, когда она начинает сжигать водород, до того момента, когда у нее заканчивается энергия и она превращается в сверхновую. К тому времени, когда такая массивная звезда достигла стадии сверхновой, она сожгла достаточно топлива, чтобы уменьшить массу всего в 150 раз по сравнению с массой Солнца, что сделало ее чуть выше разрыва в массе и достаточно большой, чтобы оставить после себя черную дыру.
|
|
|
|
Вторая серия более сложных симуляций, в которых учитывались магнитные поля, касалась последствий взрыва сверхновой. Модель начиналась с остатков сверхновой - облака из остатков звездного вещества, пронизанного магнитными полями, и черной дыры в его центре. Ранее астрономы предполагали, что вся масса облака попадет в новорожденную черную дыру, в результате чего конечная масса черной дыры будет соответствовать массе массивной звезды. Но моделирование показало нечто иное.
|
|
|
|
После того, как невращающаяся звезда коллапсирует, образуя черную дыру, облако оставшихся обломков быстро попадает в черную дыру. Однако, если первоначальная звезда вращалась быстро, это облако образует вращающийся диск, который заставляет черную дыру вращаться все быстрее и быстрее по мере того, как материал падает в ее бездну. Если присутствуют магнитные поля, они оказывают давление на диск из обломков. Это давление достаточно сильное, чтобы часть вещества вылетела из черной дыры со скоростью, близкой к скорости света.
|
|
|
|
Эти потоки в конечном счете уменьшают объем материала в диске, который в конечном итоге попадает в черную дыру. Чем сильнее магнитные поля, тем сильнее этот эффект. В экстремальных случаях при очень сильных магнитных полях до половины первоначальной массы звезды может быть выброшено из диска черной дыры. В случае моделирования магнитные поля в конечном итоге создали окончательную черную дыру в разрыве массы.
|
|
|
|
"Мы обнаружили, что наличие вращения и магнитных полей может коренным образом изменить эволюцию звезды после коллапса, в результате чего масса черной дыры потенциально значительно ниже общей массы коллапсирующей звезды", - говорит Готлиб.
|
|
|
|
Полученные результаты, по словам Готлиба, указывают на связь между массой черной дыры и скоростью ее вращения. Сильные магнитные поля могут замедлять черную дыру и уносить часть звездной массы, создавая более легкие и медленно вращающиеся черные дыры. Более слабые поля приводят к образованию более тяжелых и быстро вращающихся черных дыр. Это говорит о том, что черные дыры могут следовать схеме, которая связывает их массу и вращение воедино.
|
|
|
|
Хотя астрономам не известно ни о каких других системах черных дыр, на которых можно было бы проверить эту связь наблюдениями, они надеются, что будущие наблюдения позволят обнаружить больше таких систем, которые могли бы подтвердить эту связь.
|
|
|
|
Моделирование также показывает, что образование этих типов черных дыр приводит к выбросам гамма-лучей, которые могут быть наблюдаемы. Поиск этих сигнатур гамма-излучения поможет подтвердить предполагаемый процесс образования и покажет, насколько распространены эти массивные черные дыры во Вселенной. В конечном счете, если такая связь подтвердится, это поможет астрономам глубже понять фундаментальную физику черных дыр.
|
|
|
|
Источник
|
