Астрономи вже давно стикаються з таємничою подією гравітаційної хвилі, зареєстрованою в 2023 році – зіткненням двох чорних дір, що суперечить існуючим уявленням про те, як утворюються такі масивні та швидко обертові об’єкти. Таємниця нарешті була розгадана завдяки складним комп’ютерним моделям, які розкривають вирішальну роль магнітних полів у формуванні цих космічних гігантів.
У листопаді 2023 року наземні детектори, такі як LIGO, Virgo та KAGRA, виявили коливання в часі та просторі, які називаються гравітаційними хвилями. Сигнал, позначений GW231123, вказав на зіткнення двох чорних дір, розташованих на відстані приблизно 7 мільярдів світлових років. Але характеристики цих чорних дір спантеличили астрономів: кожна з них мала масу приблизно в 100-140 разів більшу за масу нашого Сонця і оберталася зі швидкістю, близькою до швидкості світла.
в чому проблема Сучасні теорії стверджують, що зірки з достатньою масою, щоб колапсувати в чорні діри з такими незвичайними масами, повинні вибухнути як «парні наднові нестабільності». Ці катастрофічні події настільки потужні, що навіть нічого не залишають після себе, не кажучи вже про чорну діру. Тому вчені не очікували, що чорні діри утворяться в діапазоні мас приблизно від 70 до 140 мас Сонця.
Хоча чорні діри могли існувати в цьому «проміжку маси» після злиття існуючих менших чорних дір, це малоймовірно в цьому випадку. Злиття порушує обертання чорної діри, але стикаються об’єкти в GW231123 оберталися неймовірно швидко — зі своєю теоретичною максимальною швидкістю обертання. Це означало, що мало бути задіяно щось зовсім інше.
Команда під керівництвом астрофізика Ора Готтліба з Центру обчислювальної астрофізики (CCA) Інституту Флатайрона взялася за це завдання, запустивши складні комп’ютерні моделі еволюції зірок і наднових. Їх головний висновок? Роль магнітних полів в останні моменти життя зірки.
Магнітні поля переписують сценарій
Попередні дослідження часто нехтували магнітними полями в цих екстремальних сценаріях. Готліб і його команда включили їх у свої моделі, виявивши захоплюючий поворот: магнітні поля можуть суттєво впливати на те, як поводиться речовина зірки, що залишилася після наднової.
Вони змоделювали смерть масивної зірки, маса якої приблизно в 250 разів перевищує масу Сонця, спостерігаючи, як вона втрачає більшу частину своєї маси перед тим, як колапсувати, утворюючи чорну діру. Потім у більш складній симуляції вони врахували обертові магнітні поля, присутні в розширюваній хмарі уламків, що оточує новоутворену чорну діру.
«Ми виявили, що ці магнітні поля можуть виштовхнути частину цього залишкового матеріалу майже зі швидкістю світла», — пояснив Готтліб. Чим швидше зірка обертається і чим сильніші магнітні поля, тим ефективніше може відкидатися матерія.
Цей процес відхилення фактично зменшує масу, що передається чорній дірі. Це означає, що навіть масивна зірка-попередниця може залишити за собою відносно меншу чорну діру в діапазоні заборонених мас. Моделювання показало, що за певних умов половина початкової маси зірки може бути викинута!
Нова ера в розумінні чорних дір
Це відкриття має далекосяжні наслідки для нашого розуміння утворення та еволюції чорних дір. Він передбачає:
- Зв’язок між масою, обертом і магнетизмом. Сильніші магнітні поля можуть створювати легші чорні діри, що обертаються повільніше, тоді як слабші поля можуть створювати масивніші, що обертаються швидше. Цей зв’язок відкриває нові шляхи для дослідження.
- Тестування гамма-спалаху: Симуляції передбачають, що утворення цих чорних дір із забороненою масою має супроводжуватися спалахом гамма-променів, високоенергетичного світла, яке можна виявити на Землі. Виявлення такого вибуху надасть вагомі докази на підтримку цієї моделі.
Таємницю GW231123 було розгадано, але вона піднімає ще більше інтригуючих питань про складну взаємодію магнітних полів і гравітації в останні драматичні моменти життя масивних зірок. Він показує, як, здавалося б, «неможливі» події можуть розкрити дивовижні істини про найзагадковіші об’єкти у Всесвіті.
