Когда массивная звезда завершает жизненный цикл, она может закончить существование в виде черной дыры. Однако масса образовавшейся черной дыры — не просто следствие массы ее прародителя. Ученые пришли к выводу, что сильные звездные ветры, выдувающие вещество с поверхности звезды в космос, играют ключевую роль в этом процессе.
Новое исследование показало: интенсивные звездные ветры существенно снижают массу черной дыры, которая образуется после гибели звезды. Это изменение параметров потерь массы помогает точнее объяснить, почему во Вселенной встречается меньше черных дыр средней массы, чем ожидали ранние модели.
Астрофизики из исследовательской группы, работающей с моделями звездной эволюции, уточнили параметры этих ветров и получили новые выводы, касающиеся как одиночных, так и двойных звездных систем.
Согласно расчетам, чем мощнее ветры, тем больше вещества звезда теряет еще до коллапса. В итоге итоговая масса ядра, из которого формируется черная дыра, оказывается меньше. Это особенно важно при моделировании популяций черных дыр в пределах от 100 до 10 000 солнечных масс — диапазона, где на практике фиксируется гораздо меньше объектов, чем предсказывали прежние теории.
Когда ученные усилили параметры звездных ветров в моделях, количество черных дыр средней массы в симуляциях резко сократилось. Это позволило моделям точнее соответствовать данным, полученным с помощью наблюдательных телескопов и гравитационно-волновых детекторов.
Особое внимание ученые уделили двойным системам, где после гибели обеих звезд формируются две черные дыры. С течением времени они могут сблизиться и слиться, испуская при этом гравитационные волны. Ранее астрономы фиксировали такие события, но им было трудно объяснить происхождение столь массивных двойных систем.
Обновленные модели с усиленными звездными ветрами показали, что такие системы вполне могли возникнуть. Более сильные ветры влияют не только на массу звезды, но и на ее размеры. Если ветры слабые, оболочки звезд расширяются, и они сливаются еще до образования черных дыр. В случае же с мощными ветрами звезды остаются более компактными, что позволяет им существовать как отдельные объекты дольше — вплоть до превращения в черные дыры и последующего слияния.
Это обстоятельство оказало влияние на расчеты распределения масс в двойных черных дырах. Новые модели смогли воспроизвести наблюдаемую массу обеих черных дыр в ряде зарегистрированных слияний, что не удавалось сделать при использовании прежних сценариев.
Исследование сосредоточилось на звездах, находящихся в пределах Большого Магелланова Облака — спутниковой галактики Млечного Пути. Этот регион обладает своим химическим составом, отличающимся от состава межзвездной среды в других частях Вселенной. Это ограничение делает выводы пока что применимыми лишь к звездам с подобными характеристиками.
Следующий этап работы команды связан с расширением модели на другие условия — в частности, на звезды с различными начальными химическими параметрами. Астрофизики рассчитывают изучить, как изменение содержания элементов влияет на поведение звездных ветров и на последующую массу формирующихся черных дыр.
Эти уточнения позволят составить более полную картину процессов, происходящих в звездных системах на разных этапах их эволюции. Кроме того, они помогут объяснить, почему во Вселенной так мало черных дыр средней массы, несмотря на то, что теоретически они должны возникать довольно часто.
Исследование также имеет практическое значение для анализа сигналов от слияний черных дыр, которые регистрируют детекторы гравитационных волн — такие как LIGO и Virgo. Благодаря новым моделям можно будет точнее интерпретировать происхождение обнаруженных событий.