Астрономы впервые использовали гравитационные волны, чтобы косвенно оценить параметры одного из ключевых процессов термоядерного горения в массивных светилах. Именно от него зависит, какие звезды взрываются, какие превращаются в черные дыры и как во Вселенной появляются углерод и кислород — элементы, без которых не было бы ни планет, ни жизни.
Ученые давно подозревали, что во Вселенной существует так называемый «провал масс» черных дыр (ЧД). Согласно теории, звезды определенной массы не должны напрямую коллапсировать в ЧД. Причина — редкий тип катастрофических взрывов так называемой парно-нестабильной сверхновой. В недрах очень массивной звезды гамма-излучение начинает порождать пары электрон-позитрон, давление падает, и светило либо частично теряет массу, либо полностью разрушается.
Из-за этого должна возникать «запретная зона»: черных дыр массой примерно от 40 до 130 масс Солнца, образовавшихся из одиночных звезд, существовать почти не должно. Детекторы LIGO, Virgo и KAGRA, однако, уже несколько лет фиксируют слияния объектов, которые, похоже, попадают именно в этот диапазон. Астрофизики спорили: либо теория неполна, либо такие черные дыры появляются необычным путем, например, через повторные слияния в плотных звездных скоплениях.
Авторы нового исследования, опубликованного в журнале Nature Astronomy, проанализировали крупнейший каталог гравитационно-волновых событий GWTC-4, включающий 153 слияния ЧД. Астрономы изучали не только массы объектов, но и их вращение. Выяснилось, что большинство ЧД массой меньше 45 солнечных вращаются сравнительно медленно и ориентированы одинаково — так ведут себя объекты, возникшие в результате коллапса звезд. Однако выше этой отметки картина заметно меняется: черные дыры начинают вращаться быстрее, а направления их вращения становятся хаотичными.
Такое поведение хорошо соответствует сценарию «иерархических слияний», когда ЧД в плотных шаровых скоплениях могут неоднократно сталкиваться и сливаться. В результате возникают объекты, способные «заполнить» предполагаемый провал масс. При этом повторные слияния естественным образом создают быстро вращающиеся черные дыры с хаотичной ориентацией осей — именно это астрономы и увидели.
Нижнюю границу запретной зоны оценили примерно в 44 массы Солнца. Удивительно, но по этой границе также удалось вычислить скорость ядерной реакции, при которой углерод в недрах звезды превращается в кислород. Эта реакция — одна из главных неопределенностей астрофизики: измерить ее в лаборатории крайне трудно, так как условия внутри светил невозможно полностью воспроизвести на Земле. Теперь же роль гигантской лаборатории сыграла сама Вселенная.
Исследователи также вывели значение так называемого S-фактора — параметра, описывающего вероятность реакции углерода с гелием. От него зависит химический состав ядра звезды перед взрывом: чем быстрее углерод превращается в кислород, тем раньше возникает парная нестабильность и тем легче звезда разрушается вместо образования ЧД. По сути, гравитационные волны позволили косвенно измерить процессы, происходящие в раскаленных ядрах звезд за миллионы лет до их гибели.
Открытие связывает сразу несколько областей науки — гравитационно-волновую астрономию, физику черных дыр, эволюцию звезд и ядерную физику. Такие измерения могут помочь понять, как в галактиках формировались химические элементы и почему одни звезды становятся нейтронными, а другие — черными дырами.
Точность таких оценок будет расти с каждым новым каталогом гравитационных волн, а значит, астрономы смогут все глубже изучать процессы, которые раньше были доступны лишь теоретическим моделям.
Автор: Любовь Соколова