Чорні діри, найбільш знакові об'єкти у Всесвіті, буквально знущаються з астрономів. Вони можуть мати масу від кількох до мільярдів сонць і виникати зі смерті зірок. Але як саме зірки перетворюються на чорні діри? І чому деякі чорні діри наділені масою, а інші - ні?
На ці питання намагаються відповісти вчені з різних країн, використовуючи новий інструмент - астрономію гравітаційних хвиль. Мова йде про коливання простору-часу, які виникають під час злиття двох надто масивних об'єктів.
Вперше гравітаційні хвилі відкрили у 2015 році, і відтоді ми трошки просунулись у розумінні фізичної природи чорних дір.
У своїй новій статті, розміщеній в останньому примірнику The Astrophysical Journal, науковці аналізують дані щодо майже 100 подій злиття чорних дір, які були зареєстровані детекторами гравітаційними лабораторіями LIGO і Virgo.
Згідно з доповіддю, розподіл мас чорних дір має кілька піків, тобто існують певні значення мас, які зустрічаються частіше за інші. Такі піки розташовані приблизно на 9, 16, 30 і 57 сонячних мас.
Щоб пояснити отримані результати, вчені використаликомп'ютерні моделі еволюції та вибуху зірок. А також врахували різні чинники, як-от початкова маса зірки, її хімічний склад і те, чи була вона одна або в парі з іншою зіркою.
Тепер стало очевидним, коли й чому зірка втрачає свою зовнішню оболонку з водню під дією сильного вітру або переливу матерії на сусідню зірку.
Якщо світило зарано втратить свою оболонку, то вона сформує легше ядро з вуглецю і кисню, яке легше вибухне під час колапсу і залишить після себе нейтронну зірку.
Якщо ж народження Наднової затягнеться або навіть не вибухне, то виникне більш важке ядро. І саме це ядро, можливо, перетвориться на чорну діру.
Це означає лише теоретичне розмежування між двома моделями — “нейтронної зірки” та “чорної діри”. Зазвичай є лише вузький діапазон мас ядер, за яких зірка утворює чорну діру з певною масою. А відтак — на практиці — ми не можемо бути впевненими в тому, що ми спостерігаємо: астрономічний об’єкт може бути й тим, й іншим. Все залежить від нашої власної інтерпретації отриманих даних.
Додамо: що більше вуглецю в ядрі, тим більше енергії виділяється під час його горіння. І тим більше шансів на вибух.
Що більше кисню, то більше нейтрино забирають тепло з ядра і тим менше шансів на вибух.
Дослідники також врахували, що зірки з різним хімічним складом мають різну силу вітру, який здуває їхню оболонку.
Зіставивши свої моделі з даними щодо гравітаційних хвиль, учені змогли відновити історію утворення чорних дір із різними масами. Вони з'ясували, що пік на 9 сонячних мас відповідає чорним дірам, які утворилися із зірок із металічністю (часткою елементів, важчих за гелій) близько 0.1 від сонячної.
Зазвичай подібні зірки втрачають свою оболонку в парі з іншою зіркою після закінчення горіння водню в ядрі, але до початку горіння гелію.
Пік на 16 сонячних мас відповідає чорним дірам, які утворилися із зірок із металічністю близько 0.01 від сонячної. Ці зірки втратили свою оболонку після закінчення горіння гелію в ядрі.
А от пік на 30 сонячних мас відповідає чорним дірам, де показник металічності складає 0.001 від сонячної. Зірки таким чином залишилися самотніми до кінця життя.
Пік на 57 сонячних мас — це вже злиття двох чорних дір у щільних зоряних скупченнях.
Довідка 1: що таке металічність зірки?
Металічність зірки - це відносна концентрація елементів, важчих за водень і гелій, у зірці. В астрономії всі інші елементи називаються металами, хоча з точки зору хімії багато з них не є такими.
Металічність зірки впливає на її еволюцію, світність, температуру, колір і довголіття.
Також металічність впливає на масу ядра. Зірки з низькою металічністю мають слабший зоряний вітер і втрачають менше маси, ніж зірки з високою металічністю. Зірки, які перебувають у парі з іншою зіркою, можуть переливати свою оболонку на неї або втратити її внаслідок злиття.
Довідка 2: що таке LIGO-Virgo?
LIGO-Virgo - це спільний проєкт LIGO Scientific Collaboration та KAGRA Collaboration, які використовують інтерферометри для виявлення гравітаційних хвиль.
Гравітаційні хвилі - це свого роду “зморшки” простору-часу, що виникають внаслідок динамічних процесів, таких як злиття чорних дір або нейтронних зір. Вони були передбачені Альбертом Ейнштейном у 1916 році, але вперше спостерігались лише у 2015 році.
LIGO - Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory або Лазерна інтерферометрична обсерваторія гравітаційних хвиль - американський проєкт, який складається з двох детекторів, розташованих у штатах Вашингтон і Луїзіана.
Кожен детектор має два перпендикулярні плеча довжиною 4 км, по яких подається лазерне світло. Якщо пройде гравітаційна хвиля, то вона змінить довжину плечей на дуже малу величину. Вимірюється за допомогою інтерференції лазерного світла.
Virgo - європейський проєкт, фінансується Європейською гравітаційною обсерваторією (EGO), спільною ініціативою урядів Італії та Франції. Технологічно це також інтерферометричний детектор гравітаційних хвиль, але з плечима довжиною 3 км. Він розташований поблизу Пізи в Італії.
LIGO і Virgo співпрацюють з метою виявлення гравітаційних хвиль. З 2017 року почали проводити спостереження одночасно, щоб мати багато кутових даних про джерела гравітаційних хвиль.
З того часу зареєстровано багато подій - злиття чорних дір з нейтронними зорями, повторне злиття чорних дір тощо.
Ви можете прочитати більше про LIGO-Virgo на їхньому сайті або переглянути останнього каталогу гравітаційних хвиль.
Більш детально про поточне дослідження тут:Fabian R. N., Schneider, Philipp Podsiadlowski, Eva Laplace
Published 2023 June 15. Published by the American Astronomical Society. The Astrophysical Journal Letters Volume 950
