Астрономы нашли достаточно надежное доказательство существования разрыва в распределении масс черных дыр, который возникает из-за взрывов их звезд-прародителей как парно-нестабильных сверхновых.
В пользу наличия разрыва говорят свойства распределения масс вторичных черных дыр в парах, чьи слияния в виде гравитационно-волновых всплесков обнаружены наземными обсерваториями LIGO, Virgo и KAGRA и вошли в последний каталог данных. Статья опубликована в журнале Nature.
Теории звездной эволюции предсказывают, что в распределении черных дыр по массе существует разрыв в диапазоне примерно от 50 до 130 масс Солнца. Он объясняется тем, что подобные черные дыры не могут эффективно формироваться, так как их потенциальные звезды-прародители, обладающие начальными массами от 100 до 260 масс Солнца, в финале своей жизни способны взорваться как парно-нестабильные сверхновые. В таком сценарии ядро звезды, богатое углеродом и кислородом, будет достаточно массивным и горячим, чтобы начался неуправляемый процесс рождения электрон-позитронных пар при взаимодействии гамма-квантов с другими частицами. Это создает нестабильность ядра путем уменьшения давления излучения, что заставляет ядро еще больше сжиматься под действием гравитации, разогреваться и порождать еще больше электрон-позитронных пар. В результате может произойти мощный термоядерный взрыв, который полностью разрушит звезду, не оставив компактного объекта, или же звезда пройдет через несколько циклов неустойчивости ядра, сопровождаемых потерями массы, и в итоге породит черную дыру с массой вблизи нижней границы разрыва.
Однако на сегодняшний день данных наблюдений, подтверждающих существование разрыва в массах черных дыр, крайне мало — известно всего несколько кандидатов в парно-нестабильные сверхновые и очень тяжелые черные дыры звездных масс. Предыдущие анализы свойств гравитационно-волновых всплесков, возникающих при слиянии черных дыр, тоже однозначно не подтверждали наличие разрыва. Тем не менее гравитационно-волновая астрономия — наиболее многообещающий метод для поисков доказательств существования разрыва в массах черных дыр.
Группа астрономов во главе с Майей Фишбах (Maya Fishbach) из Университета Торонто провела подробный анализ свойств 153 событий слияния пар черных дыр, породивших гравитационно-волновые всплески, которые зарегистрированы наземными обсерваториями LIGO, Virgo и KAGRA и вошли в каталог GWTC-4. Исследователи решили искать свидетельства наличия разрыва в распределении масс не первичных (более массивных) черных дыр в паре, а вторичных (менее массивных) черных дыр, так как в этом случае вероятность ложного срабатывания в виде черной дыры, рожденной не в результате непосредственно коллапса звездного ядра, будет меньше. Подобный анализ ранее не проводился, для него ученые использовали байесовское иерархическое моделирование.
Оказалось, что функция распределения масс первичных черных дыр в парах из выборки непрерывна в диапазоне от 45 до примерно 120 масс Солнца, в то время как для распределения масс вторичных черных дыр в парах наблюдается явный разрыв с вполне надежными (90 процентов вероятности) значениями нижней и верхней границ на уровне 44 и 116 масс Солнца, соответственно. Такие значения хорошо объясняются моделью парно-нестабильной сверхновой. Применив свой метод анализа для предыдущего каталога всплесков GWTC-3 исследователи получили значение нижней границы разрыва на уровне 49 масс Солнца, что тоже укладывается в модель парно-нестабильной сверхновой.
Ученые также проанализировали скорости вращения для первичных и вторичных черных дыр в парах и определили, что наблюдаемый разрыв согласуется с распределением спинов черных дыр: существует субпопуляция пар черных дыр, где первичная дыра, попадающая в массовый разрыв, демонстрирует более быстрое вращение, что свидетельствует о том, что она — результат слияния черных дыр, а не прямой продукт звездной эволюции, в отличие от ее компаньона.
Реконструированные распределения вероятностных масс первичной и вторичной черных дыр в сливающихся парах Nature