Одна взорвавшаяся звезда может породить сразу две черные дыры

Черные дыры — массивные объекты в космосе с невероятно мощными гравитационными силами, так что даже свет не может избежать их — бывают разной величины.

В начале шкалы расположены черные дыры звездной массы, сформированные во время гибели звезд. На большем — сверхмассивные черные дыры с массой, намного превышающей массу нашего солнца, вплоть до миллиарда раз.

Спустя время, обычно миллиарды лет, маленькие черные дыры могут превратиться в сверхмассивные образования, поглощая массу среды и сливаясь с другими черными дырами. Однако этот процесс не в силах объяснить проблему сверхмассивных черных дыр, существующих в ранней вселенной, ведь их возраст, как показывают расчеты, значительно меньше миллиарда лет, в то время как должен быть около того и более.

Новые результаты исследования, представленные учеными из Калифорнийского технологического института, помогут проверить модель формирования черных дыр и решить проблему несоответствия.

Определенные модели роста сверхмассивных черных дыр подразумевают наличие «семенных» черных дыр, которые образуются в результате гибели ранних звезд. Такие черные дыры набирают массу и увеличиваются в размере за счет поглощения материи (вещества) вокруг них — процесс называется аккрецией — или за счет слияния с другими черными дырами.

«Однако в предыдущих моделях черным дырам ранней вселенной попросту не хватило бы времени, чтобы стать супермассивными», отметил постдок Кристиан Рейсвиг, ведущий автор исследования. „Рост черных дыр до сверхмассивных объектов кажется возможным в ранней вселенной, только если масса семенного разрушившегося объекта изначально была достаточно большой“.

Чтобы исследовать происхождение молодых супермассивных черных дыр, Рейсвиг в сотрудничестве с доцентом Кристианом Оттом и коллегами обратились к модели супермассивных звезд. Эти гигантские и довольно экзотические звезды гипотетически существовали в течение короткого периода в ранней вселенной. В отличие от обычных звезд сверхмассивные объекты гравитационно стабильны в основном за счет собственного фотонного излучения. В очень массивной звезде фотонное излучение  — обратный поток фотонов, сгенерированный благодаря высоким температурам внутри звезды — выталкивает газ из звезды наружу в направлении, обратном гравитационным силам, которые заталкиваю газ внутрь. Когда две силы равны, наблюдается равновесие или баланс под названием гидростатическое равновесие.

В процессе жизни сверхмассивная звезда медленно охлаждается из-за потери энергии вследствие эмиссии фотонного излучения. А поскольку она становится все менее горячей, то и теряет в объеме, а центральная плотность звезды медленно увеличивается. Этот процесс длится миллионы лет, пока не достигнута достаточная для гравитационной нестабильности компактность, когда звезда начинает разрушаться.

Предыдущие исследования предсказали, что когда супермассивные звезды разрушаются, они сохраняют сферическую форму, сглаженную вследствие быстрого вращения. Эту форму называют осесимметричной конфигурацией. Учитывая то, что очень быстро вращающиеся звезды склонны к пертурбациям, Рейсвиг с коллегами предсказали, что эти пертурбации способны заставить звезды принимать в процессе разрушения несимметричные формы. Изначально небольшие пертурбации в итоге выросли бы и привели к формированию высокоплотных фрагментов газа.

Эти фрагменты вращались бы вокруг центра звезды и становились бы все более плотными, собирая вещество в ходе разрушения; росла бы и их температура. При достаточно высоких температурах энергии хватило бы для объединения электронов и позитронов в электрон-позитронные пары. Формирования таких пар вызвало бы потерю давления, все больше ускоряя разрушение; в итоге два орбитальных фрагмента стали бы настолько плотными, что в каждом из них смогла бы сформироваться черная дыра. Обе черные дыры сначала росли бы самостоятельно, а затем объединились бы, образовав один супермассивный объект. «В этом суть новшества нашего открытия», заявил Рейсвиг. „Ранее никто не предсказывал, что одна звезда может сформировать сразу две черных дыры, которые затем сливаются“.

Для симуляции супермассивной звезды, которая вот-вот взорвется, ученые применили суперкомпьютер. Симуляция сопровождалась видео, полученным за счет комбинирования миллионов пунктов, представляющих числовые данные о плотности, полях тяготения и других свойствах газов, которые составляют разрушающиеся звезды.

Хотя исследование включает компьютерные симуляции и потому является теоретическим, на практике образование и слияние пар черных дыр способно положить начало чрезвычайно сильной гравитационной радиации — ряби в материи пространства и времени, двигающейся со скоростью света - которая может оказаться видимой на краю вселенной. Наземные обсерватории, такие как LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), ищут признаки гравитационной радиации, предсказанной изначально Альбертом Эйнштейном в его теории относительности. Для обнаружения типов гравитационных волн, подтверждающих результаты текущего исследования, понадобятся и космические обсерватории, уверен Рейсвиг.

Кристиан Отт уверен, что текущие результаты имеют важное значение для космологии. «Излучаемый гравитационно-волновой сигнал и его возможное обнаружение позволят ученым лучше понять процесс формирования первых сверхмассивных черных дыр в ранней вселенной», считает он.

Результаты исследования опубликованы в издании Physical Review Letters.

07.11.2013