Один из способов образования черных дыр — сверхновые звезды или смерть массивных звезд. Однако наши текущие знания об эволюции звезд и сверхновых предполагают, что черные дыры с массами от 55 до 120 масс Солнца не могут образоваться из сверхновых. Сигналы гравитационных волн от сливающихся черных дыр дают нам наблюдательную проверку этой «щели» в массах черных дыр.
Граничные
черные дыры Чтобы образовалась черная дыра, требуется, чтобы массивная звезда превратилась в сверхновую. К сожалению, очень массивные звезды взрываются так сильно, что не оставляют после себя ничего! Такой сценарий может произойти со сверхновой из-за парной нестабильности сверхновой , которая возникает у звезд с ядром от 40 до 135 солнечных масс. «Пара» в «парной нестабильности» относится к электронно-позитронным парам, образованным при взаимодействии гамма-лучей с ядрами в сердце звезды. В этом процессе теряется энергия, а значит меньше сопротивление гравитационному коллапсу.
По мере дальнейшего коллапса звезды могут произойти две вещи. Если звезда достаточно массивна, ее ядро воспламеняется взрывом, который разрывает звезду на части, не оставляя после себя следов. Если звезда менее массивна, воспламенение ядра заставляет звезду пульсировать и терять массу до тех пор, пока она не выйдет из стадии образования пара, и ее ядро нормально не коллапсирует в черную дыру. Самая массивная черная дыра, которая может образоваться в этом сценарии, имеет массу около 55 солнечных масс, образуя нижнюю границу щели массы черной дыры.
На другой стороне этого массового разрыва теоретически возможно, что некоторые звезды нормально коллапсируют, не выделяя пара, превращаясь в черные дыры с массами, превышающими 120 масс Солнца. Уникальность этих массивных звезд в том, что они обладают низкой металличностью и практически не содержат элементов тяжелее гелия.
Таким образом, вывод состоит в том, что мы вряд ли наблюдаем какие-либо черные дыры с массами от 55 до 120 масс Солнца. Но как проверить это предсказание? Сигналы гравитационных волн — один из вариантов! Свойства сливающихся черных дыр закодированы в гравитационных волнах, возникающих при слиянии, включая массы черных дыр. Итак, недавнее исследование Брюса Эдельмана (Университет Орегона) рассмотрело наш текущий каталог сигналов слияния черных дыр, чтобы увидеть, не появится ли из данных массовый разрыв.
Помните о разрыве, если он есть.
Эдельман и его коллеги использовали две установленные модели распределения массы черных дыр, чтобы подойти к этой проблеме. Они также изменили модели, так что щель была явно разрешена и чтобы можно было изучать более высокие массы черных дыр без искусственного увеличения скорости синтеза выше щели. Затем Эдельман и его команда адаптировали свои модели к данным о 46 соединениях двойных черных дыр, наблюдаемых интерферометрами LIGO и Virgo.
Что интересно, существование этой уязвимости весьма неоднозначно! Одним из факторов является рассмотрение слияния черных дыр, связанного с сигналом GW190521, возможно, слияния большой массы, черные дыры которого находились на границе массовой щели. Если разрыва не существует, возможно, неожиданные черные дыры образовались в результате соединения черных дыр меньшего размера. В целом, эти результаты показывают большой исследовательский потенциал сверхновых с нестабильностью пар и образованием черных дыр!
