Космический гончар: как вращение и магнитное поле лепят чёрную дыру ✛
23 ноября 2023 года детекторы LIGO, Virgo и KAGRA поймали гравитационную волну от слияния двух чёрных дыр массами 137 и 103 массы Солнца. Обе попали в щель парной нестабильности — диапазон от 69 до 139 солнечных масс, где обычная эволюция звёзд не оставляет после себя ничего, кроме разлетающегося газа. Спины у этих дыр оказались подозрительно высокими: 0.9 и 0.8 от максимально возможного значения. Откуда взялась такая пара — загадка, которая не давала покоя астрофизикам.
Ответ пришёл с неожиданной стороны: от космического гончара. Вращение звезды и её магнитное поле формуют рождающуюся чёрную дыру, как руки мастера придают форму глине. Слишком слабое поле — и дыра вбирает в себя почти всю звезду, становясь слишком массивной. Слишком сильное — и джеты выметают столько вещества, что дыра остаётся лёгкой и медленной. А вот умеренное поле работает как точный инструмент: оно срезает ровно столько массы, чтобы дыра попала в щель, и одновременно раскручивает её до высокого спина.
Авторы проследили судьбу гелиевого ядра массой 250.75 массы Солнца. Сначала звезда эволюционировала и теряла вещество через звёздный ветер, к моменту коллапса её масса уменьшилась до 149 солнечных. Коллапс занял 4.29 секунды и породил чёрную дыру массой 40 масс Солнца со спином 0.5. Дальше началась гонка: темп аккреции сразу после образования превысил 100 масс Солнца в секунду, затем стабилизировался на уровне 10–40 масс в секунду. Вся звезда была поглощена примерно за одну секунду.
Результат зависел от магнитного поля, как судьба скульптуры от силы рук мастера. При слабом поле джеты не возникли, и дыра аккрецировала почти всю звезду, достигнув массы около 140 масс Солнца и максимального спина, близкого к единице. При сильном поле магнитный поток насыщался, джеты извлекали энергию вращения с мощностью до $10^{54}$ эрг/с, и дыра тормозилась, вплоть до ретроградного вращения в самой экстремальной модели. Умеренное поле дало идеальный баланс: масса около 100 масс Солнца и спин 0.8 — в точности как у вторичного компонента GW231123. Первичный компонент с массой 137 масс Солнца и спином 0.9 воспроизводится моделью со слабым полем.
Эта работа снимает главное возражение против канала прямого коллапса для образования чёрных дыр в щели парной нестабильности. Раньше считалось, что изолированная звезда при коллапсе даёт дыру с массой ядра, то есть выше щели. Теперь показано, что вращение и магнитные поля могут естественно срезать массу до нужного диапазона и раскрутить дыру. Новая корреляция между массой и спином в зависимости от напряжённости магнитного поля прародителя становится диагностическим инструментом для популяционных исследований. А мощные джеты предсказывают яркие электромагнитные транзиенты, сравнимые с самыми энергичными гамма-всплесками, что открывает дорогу мультимессенджерной астрономии.
Космический гончар продолжает свою работу. Будущие симуляции должны включить динамическую эволюцию спина чёрной дыры и расчёт киков, которые могут развернуть спины и изменить орбиты в двойных системах. Более широкий диапазон масс прародителей и профилей вращения позволит построить полную картину формирования массивных чёрных дыр. А наблюдательные поиски электромагнитных аналогов от таких коллапсов в ранней Вселенной помогут проверить предсказания модели. Вращение и магнитное поле — вот те невидимые руки, что лепят самые загадочные объекты Вселенной.
В модели с умеренным магнитным полем чёрная дыра теряет около 40 масс Солнца через джеты и ветра, что сравнимо с массой целой звезды. Джеты в самой мощной модели достигают изотропной мощности $10^{56}$ эрг/с, что на порядки ярче самых энергичных известных гамма-всплесков.
Сценарий прямого коллапса массивной звезды с образованием быстро вращающейся чёрной дыры и мощных джетов перекликается с описанием формирования чёрных дыр в романе «Свет далёких звёзд» Грега Игана, где коллапс звёзд первого поколения порождает экстремальные объекты.