В 2023 году астрономы зафиксировали грандиозное событие — столкновение двух невероятно тяжелых и быстро вращающихся черных дыр. Это явление, произошедшее за 7 миллиардов световых лет от нас, поставило ученых в тупик. Считалось, что таких объектов во Вселенной просто не существует. Теперь международная команда исследователей нашла объяснение этому феномену. Ключом к разгадке стали магнитные поля, которые раньше не учитывались в расчетах. Исследование опубликовали в журнале Astrophysical Journal Letters.

Столкновение, получившее название GW231123, зарегистрировала обсерватория LIGO-Virgo-KAGRA по гравитационным волнам. Проблема была в массе и скорости вращения черных дыр. Когда крупные звезды умирают, взрываясь сверхновыми, они оставляют после себя черные дыры. Однако существует особый тип взрыва — сверхновая с парной нестабильностью, который полностью уничтожает звезду, не оставляя ничего.

«В результате таких взрывов мы не ожидаем появления черных дыр массой от 70 до 140 солнц, — объясняет астрофизик Оре Готтлиб из Калифорнийского технологического института (США), ведущий автор исследования. — Поэтому было так странно увидеть черные дыры именно в этом диапазоне масс».

Ученые предположили, что эти черные дыры могли образоваться при слиянии двух более мелких, но и эта версия не подошла. Дело в том, что при слиянии черные дыры обычно теряют скорость вращения, а в системе GW231123 они вращались с рекордной скоростью, почти достигающей скорости света. Стало ясно, что здесь работает какой-то другой, неизвестный механизм.

Разгадку нашли с помощью сложного компьютерного моделирования. Ученые проследили всю жизнь звезды-гиганта, в 250 раз превосходящей по массе наше Солнце, от рождения до коллапса. Раньше астрономы предполагали, что при коллапсе звезды все ее вещество падает в черную дыру. Но моделирование с учетом магнитных полей показало иную картину.

Оказалось, что если звезда перед коллапсом быстро вращается, то вокруг новорожденной черной дыры образуется диск из раскаленного вещества. Магнитные поля в этом диске создают мощное давление, которое выбрасывает часть материи в космическое пространство с почти световой скоростью.

«Мы обнаружили, что наличие вращения и магнитных полей может в корне изменить эволюцию звезды после коллапса, — отмечает Готтлиб. — В результате масса черной дыры может оказаться значительно меньше общей массы коллапсирующей звезды».

В некоторых случаях сильные магнитные поля могут «выбросить» до половины первоначальной массы звезды. Это объясняет, как из очень крупной звезды может получиться черная дыра средней массы — именно такая, которую раньше считали невозможной.

Открытие также указало на любопытную связь: чем сильнее магнитные поля, тем больше массы они уносят и тем сильнее замедляют вращение черной дыры. И наоборот — слабые поля позволяют рождаться более тяжелым и быстро вращающимся объектам. Это означает, что масса черной дыры и скорость ее вращения могут быть связаны определенной закономерностью.

Пока астрономам не известны другие подобные системы, где можно было бы проверить эту теорию. Но у них есть план, как подтвердить свою догадку. Моделирование показало, что при формировании таких черных дыр должны возникать мощные всплески гамма-излучения. Поиск этих всплесков с помощью телескопов станет следующим шагом в исследовании.