Прошло исследование: «пропавшие» чёрные дыры существуют

Учёные обнаружили убедительные доказательства существования пропавшей массы чёрных дыр с массой от 45 масс Солнца и выше

Исследование проливает свет на механизм формирования сверхмассивных чёрных дыр и объясняет, почему некоторые звёзды не коллапсируют в них. Результаты, опубликованные в научном журнале Nature, указывают на существование определённого порога.

Анализ данных из каталога гравитационных волн показал, что чёрные дыры с массой более 45 масс Солнца перестают формироваться. Это не случайное явление, а реальный физический порог, который исследователи установили на основе анализа сигналов слияний.

Однако разрыв в спектре масс не является симметричным: более крупные чёрные дыры могут появляться в этом диапазоне благодаря слиянию более мелких чёрных дыр. Возникает вопрос о том, почему звёзды не формируют чёрные дыры в этом диапазоне напрямую, а слияния заполняют этот пробел.

Модели звёздной эволюции предсказывали существование области, где гигантские звёзды теряют термодинамическое равновесие и начинают нерегулярное горение кислорода, что приводит к взрыву сверхновой без формирования чёрной дыры. Вместо этого возникает пустота, создавая «запрещённую зону», которую учёные давно ожидали обнаружить.

Пары чёрных дыр, возникшие в результате слияний, выстроены по размеру. Лёгкая чёрная дыра в таких парах указывает на обычное звёздное рождение, тогда как тяжёлые объекты, появившиеся в результате предыдущих слияний, маскируют разрыв.

Меньшие звёзды реже участвуют в процессе переработки, поэтому их недостающая масса более эффективно демонстрирует, что звёзды до сих пор не смогли сформировать чёрные дыры в этом диапазоне.

Тонг отметил: «Чёрные дыры в этом диапазоне масс возникают исключительно через слияния меньших чёрных дыр, а не напрямую из звёзд».

Скорость вращения чёрных дыр перед слиянием также играет важную роль. В диапазоне, где исчезают лёгкие объекты, тяжёлые чёрные дыры обычно вращаются быстрее, что лучше соответствует гипотезе повторных слияний, чем прямому коллапсу.

Команда выделила четыре события, которые, вероятно, являются результатом предыдущих слияний. В этих системах более тяжёлая чёрная дыра, находящаяся в запрещённой зоне, сочетается с меньшей чёрной дырой.

Однако одно из известных слияний, GW190521, не попало в эту группу. За образовавшимся разрывом мог находиться другой объект, что позволяет сохранить нижнюю границу стабильной, в то время как верхняя остаётся менее определённой.

Исследователи определили нижний предел массы чёрных дыр около 44 масс Солнца. Это позволило сузить диапазон интенсивности одной важной ядерной реакции, влияющей на количество кислорода, которое накапливает звезда перед коллапсом. Это, в свою очередь, определяет, завершится ли коллапс взрывом или образованием чёрной дыры.

Первоначальные признаки разрыва исчезли после более поздних наблюдений, которые показали наличие более тяжёлых чёрных дыр. Нижняя граница сохраняется даже после исключения самого экстремального слияния, в основном влияющего на верхнюю границу.

С вероятностью около 99,9% исключена возможность узкого или отсутствующего разрыва, что стало более убедительным, чем предыдущие предположения. Однако определение границы всё ещё зависит от одного исключительного события.

После публикации статьи общественность часто повторяла ключевой тезис: разрыв образуется из-за разрушения звёзд, а не из-за формирования чёрных дыр.

Поскольку разрыв находится на известном масштабе масс, будущие каталоги смогут использовать его для оценки расширения космоса. Аналогичная закономерность может указывать на места с повышенной частотой повторных слияний, особенно в плотных звёздных окружениях.

Дальнейшие исследования покажут, являются ли направления вращения чёрных дыр случайными, что будет свидетельствовать о случайных столкновениях. Если проверка не подтвердится, астрономам потребуется другое объяснение.

Отсутствие полосы поглощения, быстрое вращение и необычные слияния указывают на историю умирающих гигантских звёзд. Следующий цикл наблюдений покажет, сохранится ли эта запрещённая зона чёткой или смягчится с увеличением объёма данных.