Гравитационные волны помогли астрономам подтвердить «провал масс» черных дыр и измерить ядерные реакции в звездах

Ученые давно подозревали, что во Вселенной существует «запретная зона» для черных дыр, образовавшихся из одиночных звезд. Согласно теории, звезды с массой от 40 до 130 солнечных не должны напрямую коллапсировать в черную дыру. Причина — редкий тип сверхновой, называемый парно-нестабильным. В недрах очень массивной звезды гамма-излучение начинает порождать пары электрон-позитрон, давление резко падает, и светило либо частично теряет массу, либо полностью разрушается, не оставляя после себя черной дыры.

Как гравитационные волны раскрыли природу черных дыр

Однако детекторы LIGO, Virgo и KAGRA уже несколько лет фиксируют слияния объектов, массы которых попадают как раз в этот «запрещенный» диапазон. Это вызвало споры: либо теория неполна, либо такие черные дыры образуются нестандартным путем, например, в результате повторных слияний в плотных звездных скоплениях. Чтобы разрешить загадку, авторы нового исследования проанализировали крупнейший каталог гравитационно-волновых событий GWTC-4, включающий 153 слияния черных дыр.

Астрономы изучали не только массы объектов, но и их вращение. Оказалось, что черные дыры с массой менее 45 солнечных вращаются сравнительно медленно, а их оси ориентированы одинаково — это характерно для объектов, образовавшихся в результате прямого коллапса звезд. Однако выше этой отметки картина резко меняется: черные дыры начинают вращаться быстрее, а направления их вращения становятся хаотичными.

Такое поведение хорошо соответствует сценарию «иерархических слияний», когда черные дыры в плотных шаровых скоплениях могут неоднократно сталкиваться и сливаться. В результате возникают объекты, способные заполнить предполагаемый провал масс. Повторные слияния естественным образом создают быстро вращающиеся черные дыры с хаотичной ориентацией осей — именно это астрономы и увидели.

Гравитационные волны как гигантская лаборатория для ядерной физики

Нижнюю границу «запретной зоны» удалось оценить в 44 массы Солнца. Удивительно, но по этой границе ученые также впервые косвенно вычислили скорость ядерной реакции, при которой углерод в недрах звезды превращается в кислород. Эта реакция — одна из главных неопределенностей астрофизики: измерить ее в лабораторных условиях крайне трудно, так как температуры и давления внутри звезд невозможно полностью воспроизвести на Земле. Теперь же роль гигантской лаборатории сыграла сама Вселенная.

Исследователи вывели значение так называемого S-фактора — параметра, описывающего вероятность реакции углерода с гелием. От него зависит химический состав ядра звезды перед взрывом: чем быстрее углерод превращается в кислород, тем раньше возникает парная нестабильность и тем легче звезда разрушается, не образуя черной дыры. По сути, гравитационные волны позволили косвенно измерить процессы, происходящие в раскаленных ядрах звезд за миллионы лет до их гибели.

Открытие связывает сразу несколько областей науки — гравитационно-волновую астрономию, физику черных дыр, эволюцию звезд и ядерную физику. Такие измерения могут помочь понять, как в галактиках формировались химические элементы и почему одни звезды становятся нейтронными, а другие — черными дырами. Точность оценок будет расти с каждым новым каталогом гравитационных волн, а значит, астрономы смогут все глубже изучать процессы, которые раньше были доступны лишь теоретическим моделям.