Используя компьютерное моделирование и данные обсерваторий LIGO и Virgo, астрофизики выяснили эволюционное происхождение и максимальную массу звезд, слияние которых в черную дыру порождает гравитационные волны. Статья об открытии опубликована в The Astrophysical Journal.

Обсерватории LIGO/Virgo обнаруживают гравитационные волны с 2015 года. В основном они приходят от достаточно крупных событий — слияний двух черных дыр, двух нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры. Астрофизики научились измерять массу черных дыр перед слиянием, и оказалось, что они массивнее, чем ожидалось. Такие сливающиеся объекты, согласно данным, имеют массу по меньшей мере десять солнечных. В одном из таких случаев, GW170729, наблюдаемая масса черной дыры была равна примерно 50 массам Солнца. Но не ясно, какие звезды могут стать предшественниками таких черных дыр звездных масс и каков максимальный размер этих объектов, которые можно наблюдать с помощью детекторов гравитационных волн.

Чтобы ответить на этот вопрос, ученые из Института физики и математики Вселенной Кавли Токийского университета и НИЦ «Курчатовский институт» — ИТЭФ исследовали конечную стадию эволюции очень массивных звезд — от 80 до 130 солнечных масс — в тесных двойных системах. В таких системах массивные звезды, как оказалось, сначала теряют свою богатую водородом оболочку и становятся гелиевыми звездами с массами от 40 до 65 солнечных.

Затем в их ядрах начинает накапливаться кислород, после звезды испытывают динамические пульсации, потому что температура внутри них становится достаточно высокой, чтобы фотоны могли перейти в электрон-позитронные пары. Создание таких пар делает ядро нестабильным и ускоряет его сжатие, пока не происходит коллапс. При этом внешний слой звезды выбрасывается, в то время как внутренняя часть остывает и процесс повторяется. Пульсация повторяется до тех пор, пока не будет исчерпан весь кислород. Этот процесс называется пульсационной парной нестабильностью. В конечном итоге у звезды образуется железное ядро, и она коллапсирует в черную дыру. Этот процесс сопровождается взрывом сверхновой.

Ученые проанализировали несколько таких пульсаций и связанных с ними выбросов массы до образования черной дыры. В итоге они обнаружили, что максимальная масса черной дыры, которая получается после взрыва пульсационной парно-нестабильной сверхновой, составляет 52 солнечных массы. Звезды, которые изначально имели массы более 130 солнечных, также в конечном итоге приходят к пульсационной парно-нестабильной сверхновой из-за взрывного сжигания кислорода, который полностью разрушает звезду, не оставляя даже черной дыры. Звезды с массой свыше 300 солнечных коллапсируют и могут образовать черную дыру с вдвое меньшей массой, чем первоначальная звезда.

Результаты нового исследования предсказывают, что существует «разрыв в массах» черных дыр между 52 и примерно 150 солнечными массами. Это значит, что черная дыра массой 50 солнечных масс в GW170729, скорее всего, является остатком пульсационной парно-нестабильной сверхновой.