Обнаружено несколько слияний черных дыр средней массы с помощью LIGO

Современная астрофизика сталкивается с интригующей загадкой, связанной с формированием черных дыр промежуточных масс. Согласно устоявшимся теоретическим представлениям, между черными дырами звездного происхождения и сверхмассивными гигантами должен существовать четкий разрыв в распределении масс. Однако последние наблюдения гравитационно-волновых обсерваторий LIGO и Virgo бросают вызов этой парадигме, обнаруживая объекты, которые, казалось бы, не должны существовать согласно нашим текущим моделям звездной эволюции и динамики слияний.

Теоретические предпосылки и «запрещенный диапазон»

Классификация черных дыр по массе подразумевает три основных категории. Черные дыры звездной массы, образующиеся в результате гравитационного коллапса массивных звезд, обычно не превышают 50 солнечных масс. Сверхмассивные черные дыры, находящиеся в центрах галактик, достигают миллионов и миллиардов солнечных масс. Между ними располагается малоизученная группа объектов промежуточной массы (от 100 до 100 тысяч солнечных масс).

Особый интерес представляет так называемый «запрещенный диапазон» масс от 50 до 120 солнечных масс. Согласно современным моделям звездной эволюции, черные дыры не могут естественным образом формироваться в этом интервале. Звезды с массой от 20 до 50 солнечных масс коллапсируют в черные дыры через механизм сверхновых, но из-за потери значительной части вещества в процессе взрыва их остатки не превышают 50 солнечных масс. Более массивные звезды (50-150 солнечных масс) взрываются как парно-нестабильные сверхновые, где термоядерные реакции приводят к практически полному разрушению звезды без образования компактного остатка.

Лишь при массах исходных звезд свыше 150 солнечных масс возможен коллапс в черные дыры, но при этом образуются объекты с массой более 120 солнечных масс, минуя «запрещенный» интервал. Таким образом, в рамках стандартных сценариев звездной эволюции черные дыры массой 50-120 солнечных масс не должны формироваться.

Проблема формирования через слияния

Теоретически, черные дыры в «запрещенном» диапазоне могли бы образовываться в результате последовательных слияний более легких объектов. Однако этот процесс сталкивается с существенными временными ограничениями. Для слияния двух черных дыр звездной массы требуется значительное время, особенно в условиях слабого гравитационного взаимодействия в разреженной среде. Вероятность того, что образовавшаяся в результате слияния черная дыра промежуточной массы успеет участвовать в следующем слиянии за время существования Вселенной, крайне мала.

Это создает парадокс: если гравитационно-волновые детекторы регистрируют слияния, где одна из компонент попадает в «запрещенный» диапазон, это либо указывает на неизвестные механизмы формирования таких объектов, либо требует пересмотра наших представлений о динамике слияний в плотных звездных скоплениях.

Революционные данные LIGO-Virgo

В ходе третьего цикла наблюдений коллаборации LIGO-Virgo были получены данные, существенно изменившие представления о распределении масс черных дыр. Анализ 11 гравитационно-волновых событий показал, что в пяти случаях одна из сливающихся черных дыр с вероятностью свыше 75% находилась в «запрещенном» диапазоне 50-120 солнечных масс.

Особенно показательным стало событие GW190521, зарегистрированное в 2019 году. В этом слиянии участвовали черные дыры массой около 85 и 66 солнечных масс, причем образовавшийся остаток (142 солнечных массы) сам относится к категории промежуточных черных дыр. Этот случай особенно важен, так как обе исходные компоненты попадают в проблемный диапазон масс, что крайне сложно объяснить в рамках существующих моделей.

Методологические сложности и альтернативные интерпретации

Следует отметить, что определение масс черных дыр по гравитационно-волновым сигналам сопряжено с существенными погрешностями. Из-за слабой интенсивности сигналов и наличия шумов параметры событий определяются методом статистического моделирования, что приводит к определенной размытости результатов. Некоторые исследователи предполагают, что часть событий в «запрещенном» диапазоне может быть артефактами обработки данных или результатом неучтенных систематических ошибок.

Однако даже с учетом этих оговорок статистическая значимость обнаруженных аномалий слишком высока, чтобы их можно было полностью игнорировать. Это заставляет научное сообщество искать альтернативные объяснения наблюдаемым явлениям.

Возможные механизмы формирования

Для объяснения существования черных дыр в «запрещенном» диапазоне предлагается несколько гипотез. Один из наиболее вероятных сценариев связан с особыми условиями в плотных звездных скоплениях, где частые гравитационные взаимодействия могут приводить к быстрым последовательным слияниям черных дыр. В таких средах временные масштабы слияний существенно сокращаются, увеличивая вероятность образования объектов промежуточной массы.

Другое направление исследований связывает эти аномалии с черными дырами, образовавшимися в ранней Вселенной из сверхмассивных звезд первого поколения (Population III). Такие звезды, практически лишенные тяжелых элементов, могли коллапсировать непосредственно в черные дыры с массами около 100 солнечных, минуя стадию парно-нестабильной сверхновой.

Также рассматриваются экзотические механизмы, такие как аккреция вещества в активных галактических ядрах или даже гипотетические первичные черные дыры, сформировавшиеся в первые мгновения после Большого Взрыва.

Перспективы дальнейших исследований

Решение загадки «запрещенного» диапазона масс требует комплексного подхода. С одной стороны, необходимы более точные измерения параметров гравитационно-волновых событий, что станет возможным с вводом в строй новых поколений детекторов с повышенной чувствительностью. С другой стороны, важную роль сыграют теоретические исследования, направленные на уточнение моделей звездной эволюции и динамики слияний в различных астрофизических средах.

Особые надежды возлагаются на изучение химического состава звезд в окрестностях черных дыр промежуточной массы, что может пролить свет на условия их формирования. Кроме того, важным направлением является моделирование процессов в ранней Вселенной, где могли создаваться особые условия для образования массивных черных дыр.

Обнаружение черных дыр в «запрещенном» диапазоне масс представляет собой один из самых интригующих вызовов современной астрофизике. Эти наблюдения не только ставят под сомнение наши текущие представления о звездной эволюции, но и открывают новые направления исследований в области формирования и роста черных дыр. Независимо от того, какое объяснение в конечном итоге окажется верным, изучение этой аномалии неизбежно приведет к пересмотру ряда фундаментальных положений в астрофизике компактных объектов.

Дальнейшие наблюдения и теоретические изыскания в этой области могут привести к открытию совершенно новых механизмов формирования черных дыр, существенно расширив наши знания о жизненном цикле массивных звезд и эволюции Вселенной.