Астрономы долгое время сталкивались с загадочным гравитационным волновым событием, зарегистрированным в 2023 году — столкновением двух чёрных дыр, которое противоречило сложившимся представлениям о том, как образуются такие массивные и быстро вращающиеся объекты. Тайна наконец-то раскрылась благодаря сложным компьютерным моделям, которые выявили решающую роль магнитных полей в формировании этих космических гигантов.
В ноябре 2023 года наземные детекторы, такие как LIGO, Virgo и KAGRA, зафиксировали колебания во времени и пространстве, называемые гравитационными волнами. Сигнал, обозначенный как GW231123, указывал на столкновение двух чёрных дыр, расположенных примерно в 7 миллиардах световых лет от нас. Но характеристики этих чёрных дыр поставили астрономов в тупик: каждая имела массу около 100 и 140 раз больше массы нашего Солнца и вращалась со скоростью, близкой к скорости света.
В чём проблема? Современные теории гласят, что звёзды с достаточной массой, чтобы коллапсировать в чёрные дыры с такой необычной массой, должны взрываться как «суперновы неустойчивости пар». Эти катастрофические события настолько мощны, что не оставляют ничего даже после себя, не говоря уже о чёрной дыре. Следовательно, учёные не ожидали, что чёрные дыры будут образовываться в диапазоне масс между примерно 70 и 140 массами Солнца.
Хотя чёрные дыры могут существовать в этом «разрыве массы» после слияния существующих более мелких чёрных дыр, это в данном случае вряд ли было правдоподобно. Слияния нарушают вращение чёрной дыры, но столкнувшиеся объекты в GW231123 вращались невероятно быстро — со своей теоретической максимальной скоростью вращения. Это означало, что должно быть задействовано нечто совершенно иное.
Группа под руководством астрофизика Оре Готтлиба из Центра вычислительной астрофизики (CCA) при Институте Флэтайрон взялась за эту задачу, выполнив сложные компьютерные модели звездной эволюции и сверхновых. Их главный вывод? Роль магнитных полей в последние моменты жизни звезды.
Магнитные поля переписывают сценарий
Предыдущие исследования часто пренебрегали магнитными полями в этих экстремальных сценариях. Готтлиб и его команда включили их в свои модели, открыв увлекательный поворот: магнитные поля могут существенно влиять на то, как ведёт себя оставшийся материал звезды после сверхновой.
Они симулировали смерть массивной звезды с массой примерно 250 раз больше массы Солнца, наблюдая за тем, как она теряет большую часть своей массы перед тем, как коллапсировать и образовать чёрную дыру. Затем, в более сложной моделировании, они учли вращающиеся магнитные поля, присутствующие в расширяющейся облаке обломков, окружающем новообразованную чёрную дыру.
«Мы обнаружили, что эти магнитные поля могут выталкивать часть этого оставшегося материала со скоростью почти света», — объяснил Готтлиб. Чем быстрее вращалась звезда и чем сильнее были магнитные поля, тем эффективнее могла быть отторгнута материя.
Этот процесс отторжения фактически уменьшает массу переданную чёрной дыре. Это означает, что даже массивная предшествующая звезда может оставить после себя относительно меньшую чёрную дыру в запрещённом диапазоне масс. Моделирование показало, что при определённых условиях половина начальной массы звезды могла быть выброшена!
Новая эра в понимании чёрных дыр
Открытие имеет далеко идущие последствия для нашего понимания образования и эволюции чёрных дыр. Оно предполагает:
- Связь между массой, вращением и магнетизмом: Более сильные магнитные поля могут привести к образованию более лёгких и медленнее вращающихся чёрных дыр, в то время как слабые поля могут производить более массивные и быстро вращающиеся. Это соединение открывает новые пути для исследования.
- Тестирование с помощью гамма-всплесков: Моделирование предсказывает, что образование этих чёрных дыр запрещённой массы должно сопровождаться всплеском гамма-излучения — высокоэнергетичным светом, детекция которого возможна на Земле. Обнаружение такого взрыва предоставит мощное доказательство в поддержку этой модели.
Тайна GW231123 разгадана, но она порождает ещё более интригующие вопросы о сложном взаимодействии магнитных полей и гравитации в драматические последние моменты жизни массивных звёзд. Она показывает, как кажущиеся «невозможными» события могут открыть удивительные истины о самых загадочных объектах вселенной.
