В ноябре 2023 года астрономы зафиксировали событие, которое назвали GW231123 — столкновение двух черных дыр с массами около 100 и 130 солнечных. Этот прорыв стал настоящим испытанием для теории относительности Эйнштейна, ведь такие объекты до этого считались невозможными. Расследование этого события раскрыло новые механизмы, позволяющие формировать настолько массивные черные дыры, что их существование могло казаться абсолютным превосходством неизвестных ранее процессов. Самое удивительное — эти гиганты находились внутри так называемой «массовой пропасти», области диапазона масс, где до недавних пор о наличии черных дыр не предполагалось.

Почему столкновения таких гигантов важны для науки

Черные дыры, образующиеся при коллапсе массивных звезд, уже давно служат ключом к пониманию устройства Вселенной. Но именно столкновения черных дыр — один из самых мощных инструментов для изучения гравитации и космологических процессов. Гравитационные волны, возникающие при слиянии таких объектов, позволяют наблюдать вселенную не через свет, а через искажения пространства и времени. Это уникальный способ исследовать регионы, где гравитация настолько сильна, что даже свет не способен выбраться.

Гравитационные волны дают редкий взгляд на экстремальные условия в космосе, расширяя границы теории относительности и раскрывая тайны зарождения первых звезд и черных дыр.

Изучая эти события, ученые могут определять массу и скорость вращения сливаемых объектов, реконструировать историю их формирования и понять, каким образом эти мощные черные дыры оказались в области, ранее считавшейся недостижимой. Особенно ценны наблюдения за самыми массивными черными дырами — они позволяют проверять предсказания Эйнштейна в условиях сильнейшей гравитации и моделировать развитие структуры Вселенной.

Раскрытие тайны самой массивной слияния черных дыр

Обнаружение GW231123 стало сенсацией. Два черных отверстия, примерно 100 и 130 раз превышающие по массе Солнце, соединились на расстоянии более 2 миллиардов световых лет. Самое удивительное — эти объекты оказались внутри «массовой пропасти» — диапазона масс почти от 70 до 140 солнечных — где ранее не предполагалось наличия черных дыр. Стандартные модели предсказывали, что массивные звезды этого размера должны взрываться в мощных сверхновых и полностью разрушать себя, не оставляя после себя ничего, что могло бы коллапсировать в черную дыру.

И хотя теория предсказывала невозможность существования таких черных дыр, сигнал GW231123 свидетельствует об обратном. Оба объекта обладали экстремальной скоростью вращения — более 90% максимально возможной. Такой уровень вращения тоже казался невозможным для массивных черных дыр в рамках классической модели формирования.

Для объяснения этого феномена команда ученых, во главе с профессором Орэ Готлибом, использовала сложные трехмерные компьютерные симуляции, моделирующие жизнь очень массивной звезды, примерно в 250 раз превышающей массу Солнца. В ходе моделирования было показано, что стандартная теория о быстром и однократном коллапсе в одну черную дыру не объясняет наблюдаемые свойства — большие массы и высокая скорость вращения.

Решение загадки: механизмы формирования «невозможных» черных дыр

Ключевым открытием стало понимание роли быстрого вращения. В отличие от давно устоявшегося мнения, что массивные звезды в конце жизни просто взрываются, создавая остатки в виде сверхновых, оказалось, что при высокой скорости вращения и наличии мощных магнитных полей происходит иной сценарий:

• Образование аккреционного диска — вращающаяся звезда формирует вокруг себя диск из материи, которую не удается выбросить при сверхновой.
• Генерация сильных магнитных полей — внутри диска магнитные поля становятся настолько мощными, что могут создавать мощные выбросы материи в космос, почем, что часть ее не попадает в черную дыру.
• Эвакуация массы и снижение конечной массы черной дыры — в результате мощных магнитных потоков молодая черная дыра теряет значительную часть материи, и ее окончательная масса попадает в диапазон «массовой пропасти».

Также симуляции показали, что магнитные поля одновременно уменьшали скорость вращения черной дыры, «выжимая» из нее angular momentum, что помогало формировать объекты с высокой скоростью вращения и умеренной массой. Такой механизм объясняет свойства черных дыр GW231123 — одна из них сформировалась из звезды со средним магнитным полем, а другая — из звезды с чуть более слабым магнитным полем, что привело к различиям в массе и скорости вращения.

Что означают эти открытия для гравитации и истории Вселенной

Экстремальные события, подобные GW231123, не только расширяют границы наших знаний о формировании черных дыр, но и подвергают тестированию саму теорию относительности. Высокая кривизна пространства-времени в таких случаях служит настоящим полигоном для проверки предсказаний Эйнштейна. И если подобные столкновения происходили часто в ранней Вселенной, то они могли существенно влиять на рост первых черных дыр, из которых впоследствии формировались сверхмассивные объекты в центрах галактик.

Этот случай показывает, что черные дыры могут образовываться значительно эффективнее, чем предполагали стандартные модели. Это меняет наше понимание о происхождении первых звезд и черных дыр, а также о процессе формирования современных гигамасштабных монстров — сверхмассивных черных дыр, сидящих в ядрах галактик.

Работа ученых указывает на новые пути формирования массивных черных дыр, о которых раньше даже не догадывались. В частности, они предполагают существование целых популяций первичных черных дыр без предшествующих слияний, что расширяет горизонты поиска и теоретические модели их происхождения.

В будущем предстоящие наблюдения гравитационных волн помогут проверить гипотезы о связи между массой и скоростью вращения черных дыр, подтвержденные расчетами модели. Анализ новых событий позволит определить, было ли GW231123 уникальным явлением или первыми признаками скрытой популяции массивных, быстро вращающихся черных дыр в космосе.

Заключение: новые горизонты гравитационных исследований

Открытие GW231123 открыло новую страницу в изучении сильнейших гравитационных полей. Этот случай показал, что границы теории относительности не так неподвижны, как казалось ранее, и что явления, считавшиеся невозможными, могут реально существовать благодаря сложным механизмам формирования и эволюции черных дыр.

Обнаружение таких объектов в будущем поможет понять, как именно первые звезды и черные дыры закладывали основу для появления миллиардов галактик и сверхмассивных черных дыр, управляющих развитием всей Вселенной. В предстоящие годы ожидается увеличение числа обнаружений подобных событий, что может коренным образом изменить представления о космической истории и фундаментальных законах гравитации.

В конце концов, каждая новая гравитационная волна — это ключ к разгадке самой глубокой тайны космоса: процессу возникновения и эволюции его самых загадочных и мощных объектов.