В 2023 году обсерватории гравитационных волн LIGO-Virgo-KAGRA зафиксировали столкновение двух черных дыр на расстоянии около семи миллиардов световых лет от Земли. Это событие под названием GW231123 озадачило астрофизиков. Масса и скорость вращения слившихся объектов не соответствовали существующим теориям. Такие черные дыры просто не должны были существовать.
Проблема заключалась в так называемом массовом зазоре. П расчетам, звезды определенного диапазона масс в конце своей жизни взрываются как сверхновые особого типа — парно-нестабильные. Такой взрыв настолько мощный, что полностью уничтожает звезду, не оставляя после себя ничего, даже черной дыры. Из-за этого астрономы не ожидают находить черные дыры массой примерно от 70 до 140 масс Солнца. Объекты из события GW231123 попадали как раз в этот «запрещенный» диапазон.
В теории черная дыра может попасть в массовый зазор, если она образуется в результате слияния двух объектов поменьше. Однако такое событие обычно нарушает вращение финального объекта. Черные дыры из GW231123, напротив, вращались почти с максимально возможной скоростью, увлекая за собой пространство-время. Сочетание огромной массы и экстремального вращения указывало на то, что стандартные модели упускают некий важный фактор.
Астрофизики предположили, что влияние магнитных полей при коллапсе звезд — это и есть фактор, который упускали из виду. Результаты опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.
Для проверки своей гипотезы команда провела комплексное компьютерное моделирование в два этапа. Сначала ученые проследили жизненный цикл гигантской звезды с изначальной массой в 250 раз больше солнечной. К моменту коллапса звезда потеряла часть вещества, ее масса составила около 150 масс Солнца. Это значение немного превышает верхнюю границу массового зазора, что позволяет звезде после взрыва оставить после себя черную дыру.
На втором этапе астрофизики создали более сложную симуляцию самого коллапса, добавив в модель вращение звезды и магнитные поля. Предыдущие модели предполагали, что после рождения черной дыры все оставшееся вещество звезды падает на нее. Новое моделирование показало совершенно другую картину. Если коллапсирующая звезда быстро вращалась, окружающее ее облако оставшегося материала образовывало вращающийся диск.
Магнитные поля в этом диске создавали давление, которое выбрасывало часть вещества наружу в виде мощных потоков, или джетов, движущихся почти со скоростью света. Эти выбросы уменьшали количество материала, доступного для поглощения черной дырой. Сила эффекта напрямую зависела от напряженности магнитного поля: чем оно сильнее, тем больше вещества уносило прочь.
Моделирование показало, что при наличии сильных магнитных полей до половины первоначальной массы звезды могло быть выброшено в космос. В результате итоговая масса новорожденной черной дыры становилась значительно меньше, и она попадала в тот самый массовый зазор.
Кроме того, научная работа выявила связь между массой черной дыры и скоростью ее вращения. Сильные магнитные поля не только выбрасывали массу, но и тормозили вращение, приводя к образованию более легких и медленновращающихся черных дыр. Слабые поля, наоборот, позволяли объекту набрать большую массу и раскрутиться до высоких скоростей. Такой сценарий объяснил свойства объектов в системе GW231123.
Предложенный механизм также предсказал, что рождение быстровращающихся массивных черных дыр должно сопровождаться всплесками гамма-излучения. Будущие наблюдения помогут проверить эту теорию и лучше понять физику самых экстремальных объектов во Вселенной.