Детектор гравитационных волн определил эволюцию черных дыр и их максимальную массу

Детектор определил эволюцию черных дыр и их максимальную массу

С помощью детектора гравитационных волн ученым удалось выяснить происхождение черных дыр и определить их максимальную массу. В этом помогло моделирование умирающей звезды. Исследование оказалось захватывающим. Оно было проведено с использованием лазерной интерферометрической обсерватории гравитационных волн и VIRGO, - интерферометрической гравитационно-волновой антенны.

Устройство показали наличие сливающихся черных дыр в тесных двойных системах. Перед слиянием массы черных дыр удалось измерить. Она оказалась намного больше, чем предполагалось ранее – примерно в десять раз больше солнечной массы.


В одном из случаев, масса наблюдаемой черной дыры составляла массу почти 50 Солнц. Но науке неизвестно, каким образом звезда может образовать такую массивную черную дыру. Также открытым остается вопрос, каким может быть максимум черных дыр, который может оказаться в зоне наблюдения детекторов. Исследователи из Института физики и математики Вселенной Кавли изучили один из заключительных этапов эволюции самых массивных звезд.

Их масса в тесных двойных системах составила примерно от 80 до 130 солнечных. Они теряют свою оболочку, которая богата водородом, и превращаются в гелиевые звезды со средней массой до 65 солнечных. При образовании богатых кислородом ядер, звезды начинают испытывать динамическую пульсацию.

Это связано с тем, что внутри звезды значительно повышается температура. Этого достаточно, чтобы фотоны превратились в электронно-позитронные пары. Создание этих пар делает ядро нестабильным и ускоряет сжатие до коллапсического.


Впоследствии происходит быстрое расширение звезды, когда часть внешнего слоя отбрасывается, а внутренняя остывает и снова сжимается. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не иссякнет весь кислород.

Он носит название пульсационной парной нестабильности. Образованное в результате железное ядро становится черной дырой, которая провоцирует взрыв сверхновой.

Рисунок 1

Рисунок 1: Схематическая диаграмма пути формирования двойной черной дыры для GW170729. Звезда с массой менее 80 солнечных эволюционирует и превращается в сверхновую с коллапсом ядра. Звезда не испытывает парной нестабильности, поэтому нет значительного выброса массы за счет пульсации. После того, как звезда образует массивное железное ядро, она коллапсирует под действием собственной гравитации и образует черную дыру с массой ниже 38 солнечных. Звезда с массой от 80 до 140 Солнца эволюционирует и превращается в сверхновую с пульсационной парной нестабильностью. После того, как звезда образует массивное углеродно-кислородное ядро, в ядре происходит катастрофическое рождение электронно-позитронных пар. Это вызывает сильную пульсацию и частичный выброс звездных материалов. Выброшенные материалы образуют околозвездное вещество, окружающее звезду. После этого звезда продолжает развиваться и образует массивное железное ядро, которая коллапсирует аналогично обычной сверхновой с коллапсом ядра, но с более высокой конечной массой черной дыры между 38-52 массами Солнца. Эти два пути могут объяснить происхождение обнаруженных двойных масс черных дыр в результате гравитационно-волнового события GW170729. Фото: Shing-Chi Leung et al./Kavli IPMU