Масштабные компьютерные симуляции, проведенные астрофизиками Института Флэтайрон совместно с коллегами, выявили, что магнитные поля — это тот самый недостающий фактор, который объясняет появление чёрных дыр с массами, ранее считавшимися «невозможными».
В 2023 году астрономы стали свидетелями грандиозного события: столкновения двух чрезвычайно массивных чёрных дыр на расстоянии около 7 миллиардов световых лет от Земли. Их колоссальные размеры и невероятно быстрое вращение бросали вызов существующим теориям. Согласно прежним представлениям, подобные чёрные дыры просто не могли бы существовать.
Теперь учёные из Центра вычислительной астрофизики (CCA) Института Флэтайрон и их партнёры смогли разгадать, каким образом могли формироваться подобные космические гиганты и почему они столкнулись. Отслеживая жизненные циклы звёзд, породивших эти чёрные дыры, исследовательская группа обнаружила, что ключевую роль в этом процессе играют магнитные поля — фактор, который долгое время недооценивался в ранних моделях.
«Никто раньше не рассматривал эти системы так, как это сделали мы. Астрономы просто шли по короткому пути, пренебрегая магнитными полями», – объясняет Оре Готтлиб, астрофизик CCA и ведущий автор исследования, опубликованного в журнале The Astrophysical Journal Letters. – «Но как только вы учитываете магнитные поля, вы на самом деле можете объяснить происхождение этого уникального события».
Это космическое столкновение, получившее обозначение GW231123, было зарегистрировано обсерваториями LIGO-Virgo-KAGRA, которые измеряют гравитационные волны — возмущения пространства-времени, возникающие при движении массивных космических объектов. На момент обнаружения астрономы не могли понять, как могли сформироваться столь огромные и быстро вращающиеся чёрные дыры. Когда массивная звезда исчерпывает своё топливо, она обычно коллапсирует и взрывается как сверхновая, оставляя после себя меньшую чёрную дыру. Однако звёзды определённого диапазона массы подвергаются особо мощному типу взрыва, называемому парно-нестабильной сверхновой, который полностью разрушает звезду.
«В результате таких сверхновых мы не ожидали образования чёрных дыр с массой примерно от 70 до 140 солнечных масс», – подчёркивает Готтлиб. – «Поэтому было загадкой увидеть чёрные дыры с массами внутри этого пробела».
Одно из возможных объяснений состоит в том, что чёрные дыры в этом «массовом пробеле» формируются косвенно, в результате слияния более мелких чёрных дыр. Однако в случае GW231123 такой сценарий казался маловероятным. Слияния обычно носят хаотичный характер, нарушая вращение образующейся чёрной дыры. Тем не менее, две чёрные дыры, участвовавшие в GW231123, вращались почти со скоростью света — это самое быстрое вращение из когда-либо наблюдаемых, что делало подобный сценарий крайне неправдоподобным.
Чтобы разрешить эту загадку, Готтлиб и его команда провели двухэтапное моделирование. Сначала они воспроизвели жизнь и смерть массивной звезды, в 250 раз превосходящей по массе Солнце. К моменту взрыва сверхновой она израсходовала достаточно топлива, чтобы уменьшиться примерно до 150 солнечных масс — это чуть выше теоретического «массового пробела», оставив после себя чёрную дыру.
Следующий этап моделирования ввёл в рассмотрение магнитные поля. Модель начиналась с остатков сверхновой: вращающегося облака звёздного мусора, содержащего магнитные поля, и новорожденной чёрной дыры в центре. Прежние теории предполагали, что весь оставшийся материал упадёт в чёрную дыру, однако новые симуляции показали иную картину.
Если коллапсирующая звезда не вращается, окружающее вещество падает прямо в чёрную дыру. Но когда звезда быстро вращается, этот материал формирует диск вокруг чёрной дыры, постепенно питая её и увеличивая её вращение. Однако магнитные поля нарушают этот процесс. Их давление может выбросить часть материала наружу почти со скоростью света, не давая ему упасть внутрь.
Этот выброс вещества уменьшает количество материала, поглощаемого чёрной дырой. Чем сильнее магнитные поля, тем больше массы выталкивается. В исключительных случаях до половины первоначальной массы звезды может быть потеряно из-за этих оттоков. В симуляциях команды этот механизм естественным образом приводил к образованию чёрной дыры, масса которой попадала в ранее «запрещённый» диапазон.
«Мы обнаружили, что наличие вращения и магнитных полей может фундаментально изменить постколлапсирующую эволюцию звезды, делая массу чёрной дыры потенциально значительно ниже общей массы коллапсирующей звезды», – заключает Готтлиб.
Полученные результаты указывают на интригующую взаимосвязь между массой чёрной дыры и скоростью её вращения. Более сильные магнитные поля могут замедлять вращение чёрной дыры и удалять больше звёздной массы, приводя к образованию меньших и медленнее вращающихся чёрных дыр. Более слабые поля, напротив, способствуют формированию более тяжёлых и быстро вращающихся объектов. Эта закономерность может открыть более широкий закон, связывающий массу и вращение – взаимосвязь, которую могут подтвердить будущие наблюдения.
В настоящее время нет других известных систем чёрных дыр, которые могли бы проверить эту связь, но астрономы надеются, что будущие обнаружения раскроют больше примеров, подобных GW231123.
Симуляции также предсказывают, что эти магнитные процессы генерируют вспышки гамма-лучей во время образования чёрных дыр. Обнаружение таких гамма-вспышек могло бы помочь подтвердить теорию и показать, насколько распространены на самом деле эти массивные чёрные дыры.
В случае подтверждения эти выводы не только объяснят «невозможное» столкновение, но и изменят наше понимание одного из самых экстремальных и завораживающих объектов Вселенной.
