Група вчених відстежила походження найбільшого з коли-небудь зафіксованого злиття чорних дір і показала, як два нібито «неможливі» гіганти могли утворитися всупереч усталеним уявленням про життя надважких зірок. Подія GW231123, зафіксована детекторами гравітаційних хвиль у листопаді 2023 року, виявилася значно складнішою, ніж думали астрономи — у ній злилися об’єкти приблизно по 100 і 130 мас Сонця, віддалені від нас більш ніж на 2 мільярди світлових років. Це потрапляє в так звану масову прогалину – інтервал від близько 70 до 140 сонячних мас, де раніше не очікували знаходити залишків зірок.
Що дивувало дослідників
Тривале уявлення було таким: зірки цього розміру під час кінцевих стадій життя піддаються настільки потужним вибухам, що практично повністю руйнуються, не лишаючи після себе обʼєкта, здатного колапсувати в чорну діру. Цей механізм відомий під назвою парної нестабільності, або pair-instability supernova, і він пояснював появу масової прогалини. Проте сигнал GW231123 вказав не на одну, а на дві масивні реліктові структури — обидві ще й оберталися надзвичайно швидко. Така комбінація мас і швидкостей, здавалося, була за межами можливого.
Як вчені розв’язали загадку
Щоб розкрити природу цих «заборонених» обʼєктів, команда під керівництвом Оре Готтліба провела тривимірні моделювання життя надважкої зорі. Готтліб — професор Центру обчислювальної астрофізики при Інституті Флетайрон, що входить до мережі ініціатив фонду Симонса. Досліди починалися від гелієвого ядра вагою близько 250 мас Сонця і відслідковували, як воно горить, колапсує та народжує нову чорну діру.
Ключова роль виявилася за швидким обертанням. Якщо зоря крутиться достатньо інтенсивно, під час колапсу навколо новонародженої чорної діри утворюється акреційний диск. У цьому диску розвиваються сильні магнітні поля, які виштовхують частину матеріалу у вигляді потужних струменів і вітрових викидів. Так матерія не встигає впасти в діру, і остаточна маса релікту виявляється значно меншою, ніж маса початкового ядра. Саме цей процес дозволяє «урізати» масу до діапазону масової прогалини.
Моделі також показали природний звʼязок між масою та обертанням релікту. Потужніші магнітні поля відбирають кутовий момент разом з масою, породжуючи менш масивні й повільніше обертові обʼєкти. Слабші поля залишають більше речовини і швидший спін. Така взаємозалежність точно відповідає тим властивостям, які витягли з гравітаційного сигналу GW231123 — одна чорна діра мала більшу масу і більший кутовий момент, інша була легшою й повільнішою.
Чому це має значення для фізики й історії Всесвіту
Злиття надмасивних обʼєктів дозволяє вивчати гравітацію не через світло, а через безпосередні возмущення простору-часу — гравітаційні хвилі. Саме вони дали змогу виміряти маси й оберти учасників GW231123 та відтворити сценарій їхнього народження. Гравітаційні хвилі були передбачені Альбертом Ейнштейном у рамках загальної теорії відносності і вперше прямо виявлені детекторами LIGO і Virgo у 2015 році; з тих пір ці прилади стали основним інструментом для «чуття» найекстремальніших подій у космосі.
Подія GW231123 виштовхує теорію у крайній режим її застосування – сильне поле гравітації навколо злиття перевіряє рівняння Ейнштейна там, де вони найбільш суворі. Якщо такі процеси були частими в молодому Всесвіті, вони могли значно вплинути на формування перших чорних дір і, зрештою, на появу надмасивних реліктів у центрах галактик.
Що прогнозують дослідники і що шукатимуть далі
Нова модель відкриває альтернативний шлях народження великих чорних дір — без попередніх злиттів, тобто «першого покоління» обʼєктів у масовій прогалині. Вчені тепер мають конкретні очікування: існуватиме звʼязок між масою та обертанням, який можна шукати в майбутніх детекціях гравітаційних хвиль. Наступні події дозволять зʼясувати, чи була GW231123 поодинокою дивакуватістю, чи вона сигналізує про приховану популяцію надзвичайно масивних і швидко обертових реліктів.
Детектори гравітаційних хвиль поступово нарощують чутливість і частоту виявлень, тому найближчими роками астрономи зможуть статистично перевірити передбачення моделі і уточнити роль магнітного викиду та обертання в еволюції наймасивніших зір.
