Магнитный ключ к загадке запрещенных черных дыр

Вселенная вновь продемонстрировала свою способность удивлять, преподнеся ученым загадку, бросившую вызов устоявшимся представлениям о жизни и смерти звезд. В 2023 году детекторы коллаборации LIGO-Virgo-KAGRA уловили гравитационные волны от события, получившего обозначение GW231123 — масштабного столкновения двух невероятно массивных и стремительно вращающихся черных дыр, расположенных в семи миллиардах световых лет от Земли. Сам факт существования таких объектов в определенном диапазоне масс считался маловероятным, а их экстремальные характеристики и вовсе поставили астрономов в тупик. Разгадать эту космическую головоломку удалось международной команде астрофизиков под руководством Оре Готлиба из Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон, которая раскрыла, что ключевым недостающим элементом в предыдущих моделях были магнитные поля.

Долгое время астрономы исходили из того, что черные дыры с массами от 70 до 140 солнечных не могут образоваться напрямую из коллапсирующей звезды. Причина этому — особый тип сверхновой, известный как парно-нестабильная сверхновая, который полностью уничтожает звезду, не оставляя после себя никакого остатка.

Хотя черные дыры в этом «запретном» интервале масс теоретически могли появиться в результате предыдущих слияний, сценарий для GW231123 выглядел крайне сомнительным. Слияния черных дыр — хаотичные события, которые, как правило, гасят вращение образовавшегося объекта, тогда как черные дыры в системе GW231123 вращались с рекордной скоростью, значительно искривляя пространство-время. Это заставило ученых искать альтернативное объяснение.

Ответ был найден с помощью комплексного компьютерного моделирования, которое впервые с должной серьезностью учло влияние магнитных полей. Первая стадия моделирования отследила жизненный цикл звезды-гиганта массой в 250 масс Солнца вплоть до ее коллапса в сверхновую.

К моменту взрыва такая звезда успевает выжечь свое топливо и уменьшиться до примерно 150 солнечных масс, что формально позволяет ей избежать полной аннигиляции и оставить после себя черную дыру. Однако ключевое открытие было сделано на второй стадии, когда в расчет взяли магнитные поля. Оказалось, что после коллапса быстро вращающейся звезды образуется не просто падающее на черную дыру облако обломков, а структурированный аккреционный диск, пронизанный магнитными полями.

Именно эти магнитные поля создают мощное давление, которое выталкивает часть вещества из диска прочь от черной дыры со скоростью, близкой к световой. Этот процесс, известный как джет, существенно уменьшает количество материала, который в конечном счете поглощается черной дырой. В случаях с исключительно сильными магнитными полями таким образом может быть выброшено до половины исходной массы звезды. Моделирование показало, что этот механизм способен не только «облегчить» новорожденную черную дыру, вписав ее массу в тот самый «запретный» промежуток, но и напрямую повлиять на ее вращение.

Таким образом, исследование выявило фундаментальную связь между массой черной дыры и скоростью ее вращения: сильные магнитные поля порождают более легкие и медленно вращающиеся объекты, тогда как слабые поля позволяют формироваться более массивным и быстро вращающимся черным дырам. Эта потенциальная закономерность открывает новое направление в изучении фундаментальной физики черных дыр.

Хотя проверить эту связь на других системах пока невозможно, ученые возлагают надежды на будущие наблюдения. Дополнительным подтверждением предложенного сценария могут служить короткие всплески гамма-излучения, которые, согласно моделированию, должны сопровождать образование подобных черных дыр. Их обнаружение помогло бы не только подтвердить теорию, но и оценить, насколько распространены такие массивные и стремительные черные дыры во Вселенной.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях