Мифы о черных дырах рушатся? Гравитационные волны не подтверждают дефицит черных дыр определенной массы

Вселенная продолжает раскрывать свои самые сокровенные тайны, и одним из ключевых инструментов в этом увлекательном процессе стали гравитационные волны — эхо самых мощных событий в космосе. За последние годы детекторы по всему миру зарегистрировали сотни столкновений черных дыр и нейтронных звезд, предоставляя ученым беспрецедентные данные о массах и вращении этих загадочных объектов. Именно эти данные, как выясняется, заставляют нас по-новому взглянуть на то, как формируются черные дыры, бросая вызов устоявшимся теоретическим моделям.

До недавнего времени астрофизики, основываясь на понимании эволюции массивных звезд, предполагали существование своеобразного «провала» в распределении масс черных дыр, образующихся в двойных системах. Речь идет о диапазоне масс примерно от 10 до 15 раз больше массы нашего Солнца. Согласно этим моделям, черных дыр с такими массами должно быть относительно немного. Но почему?

Чтобы понять это, нам нужно заглянуть внутрь умирающей звезды. В ее ядре, под действием колоссального давления и температуры, происходит термоядерный синтез — превращение легких элементов в более тяжелые, высвобождающее огромное количество энергии. Важнейшим параметром, определяющим судьбу ядра, является его «компактность» — насколько плотно упакована материя относительно его размера. Интуитивно можно предположить, что чем массивнее звезда, тем компактнее ее ядро. Однако, как показывают теоретические расчеты, это не всегда так.

Существует определенный диапазон масс звезд, для которых компактность их ядер снижается. Этот «провал компактности» тесно связан с металличностью звезды (содержанием элементов тяжелее водорода и гелия) и ее историей взаимодействия с другими звездами. Интересно, что компактность ядра является своеобразным предсказателем взрыва звезды. Ядра с низкой компактностью склонны к мощным взрывам сверхновых, оставляя после себя нейтронную звезду — сверхплотный остаток звездного ядра. А вот звезды, чьи ядра находятся «по обе стороны» этого провала компактности, с большей вероятностью избегнут эффектного взрыва и коллапсируют непосредственно в черную дыру. Этот сценарий, известный как «несостоявшаяся сверхновая», или же коллапсируют после менее мощного взрыва с последующим падением вещества обратно на ядро, приводит к формированию черных дыр с массами, лежащими за пределами «провала».

Именно эта разница в сценариях звездной смерти, как предполагалось, и должна приводить к дефициту черных дыр в диапазоне масс от 10 до 15 солнечных. В мире гравитационных волн этот «провал» должен был бы проявиться как снижение количества зарегистрированных слияний двойных систем с определенной «чирп-массой». Чирп-масса — это своего рода «комбинированная» масса двух сливающихся черных дыр, которая влияет на частоту и интенсивность гравитационной волны, регистрируемой детекторами. Предыдущие исследования даже находили намеки на существование такого провала в данных гравитационных обсерваторий.

Однако, как показывают новые исследования, основанные на анализе данных из последнего каталога гравитационных волн, ситуация может быть не столь однозначной. Ученые из Австралии тщательно изучили распределение масс черных дыр в зарегистрированных двойных системах и пришли к неожиданному выводу: статистически значимых доказательств существования предполагаемого «провала» в диапазоне масс от 10 до 15 солнечных найти не удалось. Более того, отсутствие статистического подтверждения распространяется и на предполагаемый дефицит черных дыр в диапазоне от 14 до 22 солнечных масс.

Что же получается? Неужели многолетние теоретические модели содержат ошибки? Не спешите с выводами. Важно понимать, что связь между наблюдаемой чирп-массой и массами отдельных черных дыр в паре не всегда прямолинейна. Для точной интерпретации данных необходимо делать предположения о том, как именно черные дыры «спариваются» в двойных системах. Если, например, предположить, что в основном сливаются черные дыры с примерно равными массами, то провал в чирп-массе действительно может указывать на дефицит черных дыр определенной массы. Однако, если от этого предположения отказаться, интерпретация становится гораздо сложнее.

Авторы нового исследования разработали сложные модели, которые учитывают различные варианты «спаривания» черных дыр, и пришли к выводу, что имеющиеся данные гравитационных волн не позволяют однозначно подтвердить существование «провала» в массах. Это вовсе не означает, что этот провал не существует в природе. Вполне возможно, что его проявление «зашумлено» статистическими флуктуациями — естественными колебаниями в данных. Более того, как отмечают исследователи, даже если этот провал существует, современным обсерваториям гравитационных волн, включая LIGO, Virgo и KAGRA, работающим в текущем наблюдательном цикле, может оказаться недостаточно чувствительности для его однозначного выявления.

Таким образом, вопрос о существовании «массового провала» в распределении черных дыр остается открытым. Это подчеркивает динамичный характер научного познания — новые данные постоянно заставляют нас пересматривать устоявшиеся теории. Для окончательного ответа потребуются либо более длительные наблюдения с использованием существующих детекторов, либо создание новых, более мощных обсерваторий гравитационных волн. Одним из перспективных проектов является космическая обсерватория LISA (Laser Interferometer Space Antenna), которая сможет регистрировать гравитационные волны на других частотах, открывая новые возможности для изучения самых загадочных объектов во Вселенной и, возможно, проливая свет на тайны звездной смерти. В конечном счете, именно столкновение теории и наблюдений, подобное тому, что мы наблюдаем сейчас в области гравитационно-волновой астрономии, является движущей силой научного прогресса, приближая нас к более глубокому пониманию законов, управляющих нашей Вселенной.