Возможное обнаружение черной дыры, которая теоретически невозможна

Москва, 17:40, 28 Авг 2019, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

На карту поставлены фундаментальные идеи о том, как образуются черные дыры. Черная дыра в 100 солнечных масс теоретически невозможна.

Физики черных дыр взволнованно обсуждали сообщения о том, что детекторы гравитационных волн LIGO и Virgo недавно уловили сигнал неожиданно огромной черной дыры, масса которой считалась физически невозможной.

Среди 22 потоков гравитационных волн, обнаруженных LIGO и Virgo с апреля 2019, один из сигналов пришел от столкновения, связанного с черной дырой якобы тяжелой, как 100 солнц. Члены команды LIGO / Virgo не подтвердили и не опровергли слухи об обнаружении.

Почему черная дыра такой массы невозможна

Существует теория, что такая большая черная дыра не может образоваться обычным способом.

Черные дыры — плотные, наполненные парадоксами сферы, гравитация которых захватывает все, даже свет — образуются из сжимающихся ядер израсходованных топливом звезд. Но в 1967 году три физика из Еврейского университета в Иерусалиме осознали, что, когда ядро ​​умирающей звезды очень тяжелое, оно гравитационно не разрушится в черную дыру. Вместо этого звезда подвергнется взрыву «сверхновой с парной нестабильностью», который полностью уничтожит ее за считанные секунды, ничего не оставив позади.

«Звезда полностью рассеивается в космосе», — писали три физика.

Сверхновая с парной неустойчивостью возникает, когда ядро ​​становится настолько горячим, что свет начинает самопроизвольно превращаться в пары электрон-позитрон. Радиационное давление света сохраняло ядро ​​звезды нетронутым. Когда свет превращается в вещество, результирующий перепад давления вызывает быстрое сжатие ядра и его нагревание, что еще больше ускоряет образование пар и вызывает эффект разгона. В конце концов ядро ​​становится настолько горячим, что кислород воспламеняется. Это полностью меняет имплозию ядра, так что вместо этого оно взрывается. Для ядер, масса которых примерно в 65-130 раз превышает массу нашего Солнца (согласно современным оценкам), звезда полностью стирается. Ядра между 50 и 65 солнечными массами пульсируют, теряя массу в серии взрывов, пока они не упадут ниже диапазона, где возникает парная нестабильность. Таким образом, не должно быть никаких черных дыр с массами в диапазоне от 50 до 130 солнечных масс.

Черные дыры могут существовать на другой стороне разрыва масс, весом более 130 солнечных масс, потому что взрыв таких тяжелых звездных ядер не может быть остановлен даже с помощью синтеза кислорода. Вместо этого они продолжают разрушаться и образовывать черные дыры. Но поскольку звезды теряют массу на протяжении всей своей жизни, нужно было бы родить звезду весом не менее 300 солнц, чтобы в конечном итоге стать ядром с массой 130 солнц, и такие «бегемоты» встречаются редко.

По этой причине большинство экспертов предположили, что черные дыры, обнаруженные LIGO, и Virgo должны быть на уровне около 50 солнечных масс, нижнем пределе разрыва масс. (Сверхмассивные черные дыры с массой в миллионы и миллиарды солнечной массы, которые закрепляют центры галактик, образовались в ранней Вселенной по-разному и довольно таинственно. LIGO и Virgo не способны механически обнаруживать столкновения сверхмассивных черных дыр).

Тем не менее, некоторые эксперты смело предсказывали, что черные дыры в разрыве массы будут видны.

Что думают об этом физики?

На встрече в феврале в Центре физики Аспена Крис Бельчинский из Варшавского университета и Даниэль Хольц из Чикагского университета заявили, что «черные дыры не должны существовать в диапазоне масс от 55 до 130 солнечных масс из-за парной нестабильности», и, таким образом, ничто не может быть обнаруженным в сигналах LIGO / Virgo.

Но Карл Родригес из Массачусетского технологического института и Сурав Чаттерджи из Института фундаментальных исследований Тата в Мумбаи, Индия, к которому позже присоединился Фред Разио из Северо-Западного университета, сделали ставку против них, держа пари, что черная дыра действительно будет обнаружена в массовом разрыве, потому что есть путь образования этих черных дыр большого размера.

В то время как большинство сталкивающихся черных дыр, которые покачивают инструменты LIGO и Virgo, вероятно, возникли как пары изолированных звезд (двойные звездные системы широко распространены в космосе), Родригес и его коллеги утверждают, что часть обнаруженных столкновений происходит в плотных звездных средах. такие как шаровые скопления. Черные дыры вращаются в гравитации друг друга, и иногда они ловят друг друга и сливаются, как большая рыба, глотающая меньших в пруду.

Внутри шарового скопления черная дыра с массой 50 солнц может слиться, например, с дырой с 30 солнечными массами, и тогда получившийся гигант может снова слиться. Это слияние второго уровня — то, что, возможно, обнаружил LIGO / Virgo.

«Это может произойти только в кластерах», — сказал Родригес.

Но есть и другие возможные истории происхождения предполагаемой большой черной дыры. Возможно, это началось в изолированной двойной звездной системе. После того, как первая звезда рухнула в черную дыру, она могла вырасти, оторвав вещество от своей звезды-компаньона. Позже, вторая звезда также разрушилась бы, и тогда, в конечном счете, эти две звезды столкнулись бы и слились, посылая гравитационные волны, льющиеся каскадом через ткань пространства-времени.

Что же пока на практике?

Команда LIGO / Virgo быстро объявляет о каждом потенциальном событии гравитационной волны и области неба, из которой оно возникло, так что другие телескопы могут поворачиваться в этом направлении. Но команда еще не опубликовала подробную информацию о любом событии из текущей серии наблюдений, которая началась в апреле, например, о предполагаемых размерах сталкивающихся объектов. Астрофизики планируют раскрыть все не позднее весны 2020 года. Если черная дыра слишком большого размера входит в число результатов, анализ должен также выявить, как быстро вращалась дыра и ее спутник при столкновении — эта информация поможет в пользу одной истории происхождения или другой, или ни одной из них.

Слух «подталкивает нас к альтернативным механизмам формирования», сказал Крис Фрайер, астрофизик из Лос-Аламосской национальной лаборатории, который изучал образование бинарных черных дыр и разрыв массы. «В любом случае это будет захватывающее событие — если это правда».