Астрофизики раскрыли тайну происхождения черных дыр, столкновение которых было зафиксировано в 2023 году. Новое исследование показало, что их появление связано с влиянием магнитных полей — фактором, который ранее не учитывался в подобных моделях.

Необычное столкновение и загадка масс

В 2023 году обсерватории гравитационных волн LIGO-Virgo-KAGRA зарегистрировали слияние двух черных дыр на расстоянии около семи миллиардов световых лет от Земли. Это событие, получившее обозначение GW231123, поставило ученых в тупик: масса и скорость вращения образовавшихся объектов не соответствовали существующим теориям. Согласно прежним представлениям, черные дыры с такими характеристиками не должны были существовать.

Проблема заключалась в так называемом "массовом зазоре". По расчетам, звезды определенного диапазона масс в конце своей жизни взрываются как сверхновые особого типа — парно-неустойчивые. Такой взрыв полностью уничтожает звезду, не оставляя после себя даже черной дыры. Поэтому астрономы не ожидали обнаружить черные дыры с массой примерно от 70 до 140 солнечных масс. Однако объекты из события GW231123 попадали именно в этот диапазон.

Роль магнитных полей в формировании черных дыр

Теоретически черная дыра может оказаться в "массовом зазоре", если она образуется в результате слияния двух менее массивных объектов. Однако подобные события обычно нарушают вращение итогового объекта. В случае GW231123 черные дыры вращались почти с максимальной возможной скоростью, что указывало на упущенный в стандартных моделях фактор.

Астрофизики предположили, что ключевую роль играет влияние магнитных полей при коллапсе массивных звезд. Результаты исследования были опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Компьютерное моделирование: два этапа

Для проверки гипотезы команда ученых провела комплексное компьютерное моделирование в два этапа. Сначала они проследили жизненный цикл гигантской звезды с начальной массой в 250 солнечных масс. К моменту коллапса звезда потеряла часть вещества, и ее масса составила около 150 солнечных масс — немного выше верхней границы "массового зазора", что позволяло после взрыва остаться черной дыре.

На втором этапе исследователи создали более сложную симуляцию самого коллапса, добавив в модель вращение звезды и магнитные поля. Ранее считалось, что после образования черной дыры все оставшееся вещество звезды падает на нее. Новое моделирование показало иную картину: если звезда быстро вращалась, окружающее ее облако материала формировало вращающийся диск.

Как магнитные поля влияют на массу и вращение

Магнитные поля в этом диске создавали давление, выбрасывающее часть вещества наружу в виде мощных потоков — джетов, движущихся почти со скоростью света. Эти выбросы уменьшали количество материала, доступного для поглощения черной дырой. Сила эффекта зависела от напряженности магнитного поля: чем оно сильнее, тем больше вещества уносилось прочь.

Моделирование показало, что при сильных магнитных полях до половины исходной массы звезды могло быть выброшено в космос. В результате итоговая масса новорожденной черной дыры становилась значительно меньше, и она попадала в "массовый зазор".

Исследование также выявило связь между массой черной дыры и скоростью ее вращения. Сильные магнитные поля не только уменьшали массу, но и замедляли вращение, приводя к образованию более легких и медленно вращающихся черных дыр. Слабые поля, напротив, позволяли объекту набрать большую массу и раскрутиться до высоких скоростей. Такой сценарий объяснил свойства объектов в системе GW231123.

Новые перспективы для наблюдений

Предложенный механизм также предсказывает, что рождение быстро вращающихся массивных черных дыр должно сопровождаться всплесками гамма-излучения. Будущие наблюдения помогут проверить эту теорию и глубже понять физику самых экстремальных объектов во Вселенной.