Чёрные дыры ломают правила Вселенной: сигнал LIGO намекает на скрытый механизм
В ноябре 2023 года астрономическое сообщество получило неожиданный сигнал: детекторы LIGO зарегистрировали гравитационную волну GW231123, оказавшуюся следствием столкновения двух черных дыр рекордной массы. Это событие, пришедшее к нам из далёкой галактики на расстоянии около семи миллиардов световых лет, быстро стало одним из самых обсуждаемых. Масштаб происходящего заинтересовал специалистов по гравитационным волнам и эволюции звёзд, ведь столь массивные и при этом быстро вращающиеся чёрные дыры не вписывались в привычные модели.
Исследователи из Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон во главе с Оре Готтлибом провели масштабные компьютерные симуляции. Их цель — понять, как могли сформироваться объекты с массами около 100 и 140 солнечных, да ещё и обладающие вращением, близким к предельному. В ходе моделирования учёные обнаружили, что ключ к разгадке кроется в магнитных полях, возникающих в момент коллапса звезды и последующей сверхновой.
Почему GW231123 стал вызовом для теории
Астрофизики давно знают о феномене так называемой "двойной нестабильности". Очень массивные звёзды на завершающей стадии жизни проходят через процессы, приводящие к взрывам, которые полностью уничтожают исходное тело. В таких ситуациях не остаётся ни звездной оболочки, ни белого карлика, ни чёрной дыры. Из-за этого в природе формируется "провал" — диапазон между 70 и 140 массами Солнца, где чёрных дыр быть не должно.
Но GW231123 нарушил это правило. Обе чёрные дыры лежали в зоне "запрещённых масс", что сразу поставило вопрос: откуда же они взялись? Распространённое объяснение — многоступенчатые столкновения более лёгких чёрных дыр — не подходило, ведь стечения такого рода приводят к хаотичному распределению углового момента. Однако в данном случае обе чёрные дыры оказались не просто массивными, но и невероятно быстро вращающимися. Такая комбинация выглядит статистически крайне маловероятной.
Что показало моделирование
Команда Готтлиба смоделировала эволюцию звезды начальной массой около 250 солнечных. На протяжении периода горения водорода она теряет значительную часть массы. К моменту перехода в стадию сверхновой её масса уменьшается до примерно 150 солнечных — то есть немного выше "массового разрыва". Это уже позволяет сформироваться чёрной дыре.
Далее к моделям добавили магнитные поля. Они оказываются решающим фактором: остатки выброшенной при взрыве материи образуют диск вокруг новорождённой чёрной дыры. Если звезда вращалась быстро, диск получает огромный запас углового момента. Под действием сильных магнитных полей часть вещества выбрасывается наружу с колоссальными скоростями, вплоть до околосветовых.
Именно такая динамика способна "ужать" массу будущей чёрной дыры, не разрушив её полностью, и одновременно обеспечить высокую скорость вращения. При слабых магнитных полях большее количество материи падает обратно, формируя более тяжёлые и быстрые чёрные дыры. Сильные поля — наоборот — уменьшают массу и замедляют вращение. Так формируется закономерность, связывающая оба параметра.
Сравнение: как разные сценарии влияют на параметры чёрной дыры
| Сценарий формирования | Масса конечной ЧД | Скорость вращения | Ключевые факторы |
|---|---|---|---|
| Коллапс без сильного магнитного поля | Очень высокая | Очень высокая | Преобладает падение массы обратно на ЧД |
| Коллапс при умеренных магнитных полях | Средняя | Высокая | Часть массы выбрасывается, часть падает |
| Коллапс при мощных магнитных полях | Ниже среднего | Умеренная или низкая | Значительная доля массы уходит в выбросы |
| Многоступенчатые столкновения | Зависит от истории слияний | Нестабильное | Хаотичное распределение момента |
Советы шаг за шагом
| Что делать | Конкретный инструмент/источник |
|---|---|
| Определить параметры гравитационной волны | Каталог LIGO/Virgo/KAGRA |
| Сопоставить сигнал с моделями сверхновых | Программы MESA, FLASH |
| Смоделировать влияние магнитных полей | Пакеты PLUTO, Athena++ |
| Проанализировать распределение массы и момента | NumPy, Matplotlib |
| Проверить соответствие данным о "разрыве масс" | База звёздных эволюционных моделей |
| Построить кривую зависимости массы и спина | Astropy, SciPy |
Ошибка → Последствие → Альтернатива
- Ошибка: предполагать, что вся масса звезды неизбежно перейдёт в чёрную дыру.
Последствие: некорректная оценка диапазонов масс и игнорирование разрыва.
Альтернатива: учитывать выбросы вещества при помощи магнитно-гидродинамических моделей (Athena++). - Ошибка: опираться только на сценарий повторных столкновений.
Последствие: несоответствие реальным данным по спину чёрных дыр.
Альтернатива: использовать моделирование коллапса быстро вращающихся звёзд. - Ошибка: игнорировать влияние сильных магнитных полей.
Последствие: невозможность объяснить массу и мгновенный угловой момент.
Альтернатива: применять MHD-симуляции с учётом джетов и выбросов.
А что если…
Что если "разрыв масс" не универсален? Некоторые модели предполагают, что звёзды с нестандартными химическими профилями или живущие в областях с низкой металличностью могут обходить механизм двойной нестабильности. В таком случае формирование сверхмассивных чёрных дыр может происходить иными путями. Впрочем, пока наблюдения GW231123 укладываются в рамки магнитно-модулированных коллапсов.
Плюсы и минусы новых моделей
| Плюсы | Минусы |
|---|---|
| Позволяют объяснить массу объектов в "запрещённой зоне" | Требуют огромных вычислительных ресурсов |
| Учитывают роль магнитных полей и динамику выбросов | Зависимы от начальных условий звезды |
| Совместимы с данными LIGO о высоких скоростях вращения | Мало наблюдательных подтверждений процессов в реальном времени |
| Расширяют понимание формирования чёрных дыр | Сложность интерпретации для слабых сигналов |
FAQ
Как выбрать модель для анализа гравитационных волн?
Опирайтесь на каталоги LIGO/Virgo и подбирайте модель в зависимости от массы и спина источника.
Сколько стоит полный цикл моделирования звезды?
Стоимость включает вычислительное время: от нескольких сотен до десятков тысяч долларов при использовании специализированных кластеров.
Что лучше для моделирования магнитных полей — Athena++ или PLUTO?
Оба пакета мощные, но Athena++ предпочтительнее для задач с высокой детализацией и нестабильными потоками.
Мифы и правда
Миф: чёрные дыры с массами 100+ солнечных могут возникать только при серии столкновений.
Правда: одиночный коллапс сверхмассивной и быстро вращающейся звезды при участии мощных магнитных полей также способен их формировать.
Миф: магнитные поля не влияют на массу будущей чёрной дыры.
Правда: при сильных полях выбросы могут унести до половины исходной массы.
Миф: "разрыв масс" — абсолютный закон природы.
Правда: это вероятностный диапазон, а не строгий запрет.
Сон и психология
Исследования гравитационных волн напрямую не связаны со сном, однако есть психологический аспект — крупные открытия меняют эмоциональное состояние исследователей. Наблюдения масштабных событий, подобных GW231123, снижают уровень неопределённости в моделях Вселенной. Это помогает учёным ощущать причастность к глобальным знаниям, повышая мотивацию и снижая стресс.
Три интересных факта
-
Гравитационные волны проходят через материю практически беспрепятственно, что позволяет фиксировать события, произошедшие миллиарды лет назад.
-
Скорость вращения чёрных дыр может достигать величин, при которых пространство-время вокруг них буквально "закручивается".
-
Мощные магнитные поля способны запускать джеты — узкие потоки плазмы, пролетающие на многие световые годы.
Исторический контекст
• 1916 год — Альберт Эйнштейн предсказывает существование гравитационных волн.
• 1960-е — развивается идея звёзд двойной нестабильности.
• 2015 год — LIGO впервые фиксирует гравитационную волну от слияния чёрных дыр.
• 2023 год — открытие GW231123 ставит под сомнение устоявшиеся представления о "запрещённом диапазоне".
• 2025 год — обсуждение результатов, связывающих магнитные поля и массовые характеристики новорождённых чёрных дыр.
Подписывайтесь на NewsInfo.Ru
