Астрофизики, проанализировав обновленный реестр гравитационно-волновых сигналов GWTC-4, получили новые подтверждения существования специфического «провала» в распределении масс черных дыр. Данная аномалия, известная как разрыв парной нестабильности, порождается фундаментальными физическими процессами, протекающими в недрах наиболее массивных звездных гигантов.
Этот зазор охватывает диапазон масс, в котором традиционные механизмы звездного коллапса не способны сформировать черную дыру. Теоретические модели эволюции предсказывают, что этот интервал находится в границах от 50 до 130 солнечных масс. Суть явления заключается в критическом разогреве углеродно-кислородного ядра, при котором высокоэнергетические фотоны начинают спонтанно превращаться в пары электрон-позитрон. Это вызывает резкое падение давления излучения, противодействующего гравитации, и провоцирует стремительное сжатие звезды. Последующая взрывная детонация кислорода полностью распыляет звездное вещество, не оставляя после себя плотного остатка. Лишь в определенных сценариях звезда успевает сбросить внешние слои и сколлапсировать в черную дыру, чья масса окажется ниже этого «запретного» порога.
Исследование в рамках каталога GWTC-4 было сфокусировано на изучении двойных систем, разделенных на первичные (более тяжелые) и вторичные (менее массивные) объекты. Оказалось, что границы массового разрыва наиболее отчетливо проступают именно в популяции вторичных компонентов. Это объясняется тем, что первичные компоненты нередко являются черными дырами «второго поколения», возникшими в результате предшествующих слияний (иерархический сценарий). Подобные объекты могут попадать в диапазон разрыва, создавая «шум» в статистике. Вторичные же компаньоны чаще представляют собой прямые продукты эволюции звезд, строго подчиняющиеся законам парной нестабильности. Черные дыры иерархического происхождения, заселяющие диапазон 50–130 солнечных масс, отличаются высоким спином — угловым моментом, унаследованным от своих предшественников. Такие события слияния преимущественно локализованы в экстремально плотных средах, таких как шаровые скопления или аккреционные диски активных ядер галактик.
Иллюстрация: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)
Базой для научной работы послужили данные о 153 слияниях, зафиксированных обсерваториями LIGO, Virgo и KAGRA. С помощью методов иерархического байесовского моделирования ученые установили, что нижний предел разрыва находится на уровне 44±5 M☉, а верхний — в районе 116±10 M☉. Наблюдения также подтвердили, что объекты тяжелее 45 масс Солнца обладают повышенной скоростью вращения. Это служит веским аргументом в пользу того, что массивные черные дыры в этом сегменте являются результатом накопления массы через последовательные слияния.
Ключевую роль в уточнении модели сыграли события GW231123 и GW190521. Система GW231123 признана самой массивной из известных: ее общая масса достигает 265 солнечных. Один из ее участников весит около 200 M☉, что значительно выше верхней границы теоретического разрыва, в то время как второй находится ниже его начала. Это позволило более точно локализовать верхнюю планку «пустоты». Событие GW190521, долгое время озадачивавшее экспертов, теперь интерпретируется как пара, в которой один объект находится «над» разрывом, а другой — «под» ним.
Данные выводы имеют фундаментальное значение для современной астрофизики. Они верифицируют теорию парной нестабильности и позволяют с высокой точностью откалибровать параметры ядерного синтеза, в частности скорость превращения углерода в кислород в звездных недрах. Кроме того, эти результаты способствуют более глубокому пониманию динамики формирования черных дыр и помогают уточнить космологические константы, включая постоянную Хаббла, определяющую скорость расширения пространства.
Источник: iXBT
