Астрономы из Центра вычислительной астрофизики (CAA) Института Флэтайрон опубликовали статью, посвященную «невозможному» слиянию черных дыр. В ней они объяснили, как именно эти черные дыры могли сформироваться.
В 2023 году коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA зафиксировала гравитационные волны, вызванные слиянием двух черных дыр, произошедшим на расстоянии 7 млрд световых лет от Земли. Событие привлекло внимание ученые характеристиками чувствовавших в нем объектов. Массы черных дыр в 140 и 100 раз превышали массу Солнца, при этом они вращались со скоростями, близкими к скоростям света. Согласно современным представлениям, такие черные дыры не должны существовать.
Когда массивные звезды достигают конца своей жизни, многие из них коллапсируют и взрываются как сверхновые, оставляя после себя черную дыру. Но если звезда попадает в определенный диапазон масс, происходит особый тип сверхновой. Этот взрыв, называемый сверхновой с нестабильностью пар, настолько силен, что звезда уничтожается, не оставляя после себя ничего.
«В результате этих сверхновых мы не ожидаем образования черных дыр с массой примерно от 70 до 140 раз больше массы Солнца», — говорит Оре Готтлиб, астрофизик из CCA. «Поэтому было загадочно увидеть черные дыры с массой в пределах этого диапазона».
Единственный возможный сценарий формирования черной дыры такой массы — слияние двух более мелких черных дыр. Однако в случае с GW231123 ученые сочли это маловероятным из-за их очень быстрого вращения. Считается, что слияния черных дыры нарушает их вращение, чего не наблюдалось в случае GW231123.
Чтобы найти ответ на эту загадку, ученые провели серию симуляций. Они смоделировали гигантскую звезду, чья масса изначально в 250 раз превышала солнечную. К моменту смерти она уменьшилась до 150 солнечных за счет сжигания водородного топлива и выбросов вещества.
После этого исследователи сконцентрировались на влиянии магнитных полей на облако вещество, которое образуется в результате взрыва сверхновой. Ранее считалось, что все оно будет быстро поглощено черной дырой, в результате чего ее конечная масса будет соответствовать массе звезды. Но симуляции показали нечто иное.
Если невращающаяся звезда коллапсирует, образуя черную дыру, облако оставшихся обломков быстро падает в черную дыру. Однако, если исходная звезда быстро вращалась, это облако образует вращающийся диск, который заставляет черную дыру вращаться все быстрее и быстрее по мере того, как материя падает за горизонт событий. Если присутствуют магнитные поля, они оказывают давление на диск обломков. Это давление достаточно сильное, чтобы выбросить часть материи из черной дыры со скоростью, близкой к скорости света.
Эти выбросы уменьшают объем материала в диске, который в конечном итоге попадает в черную дыру. Чем сильнее магнитные поля, тем сильнее этот эффект. В крайних случаях с очень сильными магнитными полями до половины первоначальной массы звезды может быть выброшено через выбросы диска черной дыры. В результате этого процесса может образоваться черная дыра с характеристиками как у тех, что участвовали в слиянии GW231123.
По материалам Phys.org
