черные дыры

Международная группа астрофизиков обнаружила веские доказательства существования теоретически предсказанного разрыва в распределении масс черных дыр.

Об этом сообщает научное издание N + 1 со ссылкой на публикацию в журнале Nature. Открытие подтверждает давние гипотезы о том, что звезды определенной массы не могут оставлять после себя компактные объекты, полностью уничтожая себя в мощнейших термоядерных взрывах.

Механизм «парной нестабильности»

Согласно современным теориям звездной эволюции, в распределении масс черных дыр должен существовать провал в диапазоне от 50 до 130 масс Солнца. Это явление объясняется процессами, происходящими в ядрах сверхмассивных звезд-прародителей (от 100 до 260 солнечных масс). В финале их жизни взаимодействие гамма-квантов с частицами порождает электрон-позитронные пары, что резко снижает давление излучения и приводит к гравитационному коллапсу ядра.

Этот процесс запускает одну из двух фаз:

• Полное разрушение: Мощный термоядерный взрыв полностью распыляет вещество звезды, не оставляя после себя черной дыры.
• Циклическая потеря массы: Звезда проходит через серию вспышек, теряет оболочки и в итоге формирует черную дыру лишь вблизи нижней границы «запретной» зоны.

Новый подход к анализу данных

Команда под руководством Майи Фишбах из Университета Торонто проанализировала 153 события слияния черных дыр, зафиксированных детекторами LIGO, Virgo и KAGRA. Ключевым отличием данного исследования стало изучение масс не первичных (более тяжелых) компонентов в парах, а вторичных (менее массивных). Ученые применили байесовское иерархическое моделирование, чтобы минимизировать вероятность ложных выводов.

Результаты показали, что в то время как распределение масс первичных черных дыр выглядит непрерывным, у вторичных объектов наблюдается четкий разрыв. С вероятностью 90 процентов границы этого провала определены на уровне 44 и 116 масс Солнца. Такие показатели практически идеально вписываются в математические модели парно-нестабильных сверхновых.

Вращение как ключ к разгадке

Дополнительным подтверждением теории стал анализ спинов (скоростей вращения) черных дыр. Исследователи выяснили, что те объекты, которые все же попадают в «запретный» диапазон масс, вращаются значительно быстрее своих компаньонов. Это указывает на то, что такие тяжелые черные дыры не являются прямым продуктом эволюции одиночных звезд, а возникли в результате более ранних слияний других черных дыр.

Космическая обсерватория Gaia выявила в Млечном Пути необычное явление: в сердце звёздного потока Palomar 5 может скрываться рой из более чем 100 чёрных дыр звёздной массы, передвет NakedScience.

Об этом сообщают исследователи, проанализировавшие данные трёхмерного картирования галактики. Palomar 5 — это растянутый на 30 000 световых лет поток звёзд, расположенный примерно в 80 000 световых лет от Земли.

Глобулярные скопления, к которым относится Palomar 5, считаются «ископаемыми» ранней Вселенной. Обычно они плотные и сферические, содержат от 100 тысяч до миллиона древних звёзд и помогают изучать историю галактик и тёмную материю. Однако Palomar 5 выделяется: у него разреженное распределение звёзд и длинный приливной поток, протянувшийся более чем на 20 градусов небесной сферы.

Модель, которая изменила представление

Астрофизик Марк Гиелес из Университета Барселоны пояснил: «Мы не знаем, как формируются такие потоки, но одна из идей заключается в том, что это разрушенные звёздные скопления». Учёные провели детальное N-body моделирование, просчитав орбиты и эволюцию каждой звезды. В симуляции включили и чёрные дыры, поскольку гравитационные взаимодействия с ними способны «выбрасывать» звёзды из скопления. Результат оказался неожиданным. Чтобы получить наблюдаемую сегодня структуру Palomar 5, необходимо значительно больше чёрных дыр, чем предполагалось ранее. По словам Гиелеса, «число чёрных дыр примерно в три раза больше, чем ожидалось исходя из количества звёзд в скоплении, и это означает, что более 20 процентов всей массы скопления составляют чёрные дыры». Каждая из них имеет массу около 20 солнечных и образовалась после взрывов сверхновых в ранней истории кластера.

Судьба скопления и охота за чёрными дырами

Модели показывают, что примерно через миллиард лет Palomar 5 полностью распадётся. Перед окончательным исчезновением останется фактически «чистое» скопление из одних чёрных дыр, вращающихся вокруг центра галактики. Это означает, что подобная судьба может ждать и другие глобулярные скопления. Астрофизик Фабио Антонини из Кардиффского университета отметил: «Считается, что большая часть слияний двойных чёрных дыр происходит в звёздных скоплениях». Главная проблема — мы не видим сами чёрные дыры напрямую. Новый метод позволяет оценивать их количество по звёздам, которые они выбрасывают. Palomar 5, таким образом, становится ключом к пониманию того, где искать будущие столкновения чёрных дыр и редкий класс объектов промежуточной массы.

Чайная ложка вещества нейтронной звезды весит миллиарды тонн. Когда два таких сверхплотных объекта сталкиваются, они не просто создают мощнейшие гравитационные волны — они оставляют постоянный «шрам» в ткани пространства-времени.

Исследование международной группы учёных опубликовано в Physical Review Letters и посвящено проверке так называемого эффекта памяти гравитационных волн, сообщает Securitylab.ru. Нейтронные звезды возникают после взрыва сверхновой. Это компактные объекты диаметром около 20 километров и массой больше солнечной. Внутри них материя сжата до предела: атомы разрушены, вещество почти полностью состоит из нейтронов. При сближении двух таких звёзд система начинает излучать гравитационные волны, которые уже фиксируются детекторами LIGO и Virgo.

Эффект памяти: волна, которая не исчезает

Обычно гравитационная волна растягивает и сжимает пространство, после чего всё возвращается в исходное состояние. Однако теория Эйнштейна предсказывает и другое: после прохождения волны может остаться крошечный, но постоянный сдвиг. Частицы в детекторе не возвращаются точно на прежнее место. Этот остаточный след и называют эффектом памяти.

Впервые такие расчёты провели Яков Зельдович и Александр Полнарёв в 1974 году. Позднее Деметриос Христодулу показал, что нелинейность уравнений Эйнштейна усиливает этот эффект. Современные исследования добавили новые источники вклада — электромагнитное излучение и поток нейтрино.

Магнитные поля, нейтрино и 50 процентов сигнала

Учёные из Университета Иллинойса, Академии Афин, Университета Валенсии и Университета штата Монтклер смоделировали слияние нейтронных звёзд с разными массами, уравнениями состояния и конфигурациями магнитного поля. Они отдельно учитывали выброс нейтрино и барионного вещества, чтобы понять вклад каждого фактора.

Выяснилось, что магнитные поля, нейтрино и выброшенное вещество дают от 15 до 50 процентов общей гравитационной памяти. Причём более сильное магнитное поле не всегда означает больший эффект: в некоторых случаях намагниченные системы демонстрировали меньшую итоговую память. В отличие от чёрных дыр, у нейтронных звёзд память может накапливаться дольше после основного столкновения.

Наблюдение этого эффекта стало бы важной проверкой общей теории относительности. Обнаружение памяти позволило бы получить данные о массе, внутреннем устройстве и магнитном поле нейтронной звезды. Фактически детекторы гравитационных волн смогли бы «прощупать» сверхплотное вещество, недоступное для лабораторных экспериментов. Пока это только первый шаг, но учёные рассчитывают, что будущие наблюдения помогут увидеть этот «шрам» во Вселенной.

Согласно опубликованным данным, индийские астрономы обнаружили 53 новых гигантских радиоквазара.

Эти объекты выбрасывают струи плазмы длиной до 7,2 миллиона световых лет — это в 68 раз больше диаметра нашей галактики.

Джеты размером с десятки Млечных Путей

Квазары представляют собой активные ядра галактик с черными дырами в центре. Они выбрасывают потоки плазмы почти со скоростью света. Обнаружение стало возможным благодаря обзору TGSS, выполненному телескопом GMRT, который охватил около 90% неба.

«Размеры этих радиоджетов несопоставимы с нашей галактикой», — говорит Сувик Маник. Он отмечает, что длина струй достигает «20–50 диаметров Млечного Пути».

Астрономы изучили асимметрию этих джетов. Сушанта К. Мондал объяснил: «С одной стороны джет может врезаться в плотные облака, а другая сторона расширяется свободно». Удалённые квазары показывают наиболее сильную асимметрию.

Влияние на Вселенную

По словам Сабьясачи Пала, гигантские квазары помогают понять поздние стадии их эволюции. Огромные радиолопасти позволяют исследовать разреженный межгалактический газ на огромных расстояниях.

Учёные считают, что такие наблюдения раскрывают процессы вокруг сверхмассивных черных дыр и помогают увидеть структуру Вселенной. Работа показывает, как квазары влияют на рост и смерть галактик.