Новое исследование, проведённое под руководством аспиранта Итана Винча, изучает, как вращение звёзд и потеря массы формируют самые тяжёлые чёрные дыры во Вселенной, связывая открытия гравитационных волн с жизнью самых ранних звёзд.
Когда в 2015 году первые гравитационные волны достигли детекторов на Земле, это стало историческим моментом. Спустя сто лет после того, как Эйнштейн предсказал их существование, у нас наконец-то появилось прямое доказательство реальности гравитационных волн. Более того, источник этих волн удивил всех: две огромные чёрные дыры, каждая примерно в 30 раз тяжелее Солнца, столкнулись на расстоянии более миллиарда световых лет.
До этого момента большинство астрономов считали, что чёрные дыры звёздной массы — те, что образуются при гибели звёзд (в отличие от сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик) — обычно должны быть намного легче, обычно от 5 до 15 масс Солнца. Поэтому обнаружение чёрных дыр в диапазоне 30–40 масс Солнца сразу же поставило вопрос: как образовались такие тяжёлые чёрные дыры?
Одна из важных подсказок связана с тем, как массивные звёзды теряют материал в течение своей жизни. Массивные звёзды сбрасывают свои внешние слои через мощные звёздные ветры, и, что особенно важно, сила этих ветров зависит от того, насколько «металлична» звезда. Работа группы из Армагхского центра по изучению массивных звёзд под руководством профессора Йорика Винка показала, что ветры звёзд Вольфа-Райе — горячих массивных звёзд, приближающихся к концу своей жизни, — резко ослабевают при низкой металличности. Это означает, что звёзды в примитивных, бедных металлами средах могут сохранять гораздо больше своей массы до самой гибели.
Это натолкнуло на мысль, что массивные чёрные дыры, обнаруженные LIGO, могли образоваться из звёзд с низкой металличностью — звёзд, родившихся в ранних, бедных металлами галактиках, сильно отличающихся от Млечного Пути.
Но на этом история не заканчивается.
Ещё один важный элемент головоломки связан с явлением, называемым парной нестабильностью.
Очень массивные звёзды могут стать настолько горячими и энергетически насыщенными, что свет внутри их ядер — фотоны — превращается в материю и антиматерию, истощая давление, которое жизненно необходимо для поддержания стабильности звезды, и вызывая сильные нестабильности.
Если ядро звезды становится слишком массивным, этот процесс может полностью разрушить звезду или помешать образованию чёрной дыры определённых размеров — создавая то, что астрономы называют вторым массовым разрывом.
Новое исследование, недавно принятое к публикации в «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society» (MNRAS) и проведённое под руководством аспиранта Итана Винча из Армагхской обсерватории и планетария (AOP), продвигает эту историю на шаг вперёд.
Исследовательская группа — Итан Винч, Гаутам Сабхахит, Йорик Винк и Эрин Хиггинс — задалась вопросом: как вращение звёзд и потеря массы вместе формируют максимальную массу чёрных дыр?
Используя детальные симуляции с кодом звёздной эволюции MESA, они изучили поведение массивных звёзд при быстром вращении.
Они обнаружили, что быстрое вращение кардинально изменяет внутреннюю структуру звезды.
Как только звезда вращается со скоростью около 60% от своей критической скорости (точки, при которой она начнёт разрушаться), она становится химически однородной — это означает, что звезда тщательно перемешивает своё внутреннее содержимое и эволюционирует как упрощённая компактная звезда.
Такое химическое перемешивание приводит к меньшему конечному массе ядра, устанавливая жёсткий предел того, насколько массивной может стать чёрная дыра до столкновения с парной нестабильностью.
Исследование подтверждает, что этот порог остаётся на уровне массы углерод-кислородного ядра примерно в 36 масс Солнца даже для этих быстро вращающихся звёзд.
Что интересно, это соответствует «всплеску» в распределении масс чёрных дыр, наблюдаемому LIGO и Virgo — это является убедительным доказательством того, что вращение, металличность и потеря массы играют ключевую роль в формировании тяжёлых чёрных дыр, которые мы наблюдаем сегодня.
Короче говоря, гравитационные волны, которые впервые подтвердили правоту Эйнштейна, также открыли новое окно в жизнь и смерть самых массивных звёзд Вселенной — показывая, что вращение, звёздные ветры и космическая химия переплетаются вместе, создавая тяжёлые чёрные дыры, которые мы только начинаем понимать.