Взрывающиеся звёзды, чёрные дыры и запрещённая область

Эта иллюстрация показывает взрыв сверхновой, вызванной парной нестабильностью. Такие взрывы не оставляют после себя ничего — даже чёрной дыры. Согласно новым исследованиям, именно они могут объяснить так называемую «запрещённую область» масс чёрных дыр. 

Credit: Gemini Observatory / NSF / AURA / Joy Pollard.

Universe Today, 22 апреля 2026 года

Когда в 2015 году была впервые обнаружена гравитационная волна (GW), учёные заявили, что открыли новое окно во Вселенную. В то время как большая часть астрономии основана на регистрации электромагнитного излучения, гравитационные волны — это нечто иное. Это ряби в пространстве-времени, предсказанные Эйнштейном.

Детекторы гравитационных волн позволили обнаруживать слияния чёрных дыр, которые излучают такие волны при столкновении. Астрономы используют эти сигналы для определения масс чёрных дыр. На сегодняшний день зарегистрированы уже сотни событий, и вместе они представляют собой своего рода «перепись населения» чёрных дыр по массам.

Согласно астрофизическим теориям, массивные звёзды с массами примерно от 50 до 130 масс Солнца должны коллапсировать и превращаться в чёрные дыры. Значит, в этом диапазоне мы должны наблюдать соответствующие чёрные дыры. Однако наблюдения гравитационных волн показывают, что чёрные дыры звёздного происхождения с массами более ~45 масс Солнца встречаются крайне редко. Это явление получило название «запрещённой области» масс. Чем это можно объяснить?

Новое исследование, опубликованное в журнале Nature, возможно, даёт ответ. Оно называется «Evidence of the pair-instability gap from black-hole masses», а его ведущий автор — Хуэй Тун из Школы физики и астрономии Университета Монаша (Австралия).

«Звёздная теория предсказывает запрещённый диапазон масс чёрных дыр примерно от 50 до 130 масс Солнца из-за сверхновых парной нестабильности, однако убедительные свидетельства существования этого разрыва в распределении масс по данным гравитационных волн долгое время отсутствовали», — пишут авторы.

Но теперь ситуация меняется благодаря накопленным данным гравитационно-волновых наблюдений. Они показывают, что чёрные дыры с массами выше ~45 солнечных действительно редки. Это указывает на то, что некий физический механизм препятствует их образованию. И многое из происходящего внутри массивных звёзд может объяснить этот эффект.

Звезда — это баланс между давлением термоядерных реакций, направленным наружу, и гравитацией, стремящейся сжать её внутрь. На главной последовательности эти силы уравновешены. Но со временем гравитация берёт верх, и ядро массивной звезды коллапсирует, формируя чёрную дыру.

Однако в самых массивных звёздах условия оказываются иными. При экстремально высоких температурах гамма-кванты могут порождать пары электрон–позитрон. Это снижает давление излучения внутри звезды и вызывает её коллапс. Но вместо образования чёрной дыры происходит взрыв — сверхновая парной нестабильности. Этот взрыв настолько мощный, что полностью разрушает звезду.

На этой схеме показано, что происходит внутри такой сверхновой. В очень массивной звезде гамма-кванты становятся настолько энергичными, что часть их энергии расходуется на образование пар электрон–позитрон. Это снижает давление излучения, звезда частично коллапсирует под действием собственной гравитации, а затем запускаются неконтролируемые термоядерные реакции, приводящие к взрыву. В результате не остаётся ничего — даже чёрной дыры.

Credit: By NASA/CXC/M. Weiss - http://chandra.harvard.edu/photo/2007/sn2006gy/more.html, specifically http://chandra.harvard.edu/photo/2007/sn2006gy/sn2006gy_ill.tif, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2082949*

Ключевой момент в том, что после такого взрыва не остаётся даже чёрной дыры. Именно это и создаёт «запрещённую область» масс: если звёзды определённого диапазона полностью разрушаются, чёрные дыры с такими массами просто не должны существовать.

На этом история могла бы закончиться, но она сложнее. Астрономы всё же находят отдельные чёрные дыры в этой «запрещённой зоне». Откуда они берутся?

Ответ, по всей видимости, связан с двойными системами. «Хотя разрыв не наблюдается в распределении масс первичных компонентов, он чётко проявляется в распределении масс вторичных компонентов», — пишут авторы. Это означает, что вторичная чёрная дыра, вероятно, образована напрямую, тогда как первичная могла возникнуть в результате предыдущего слияния.

Дополнительное подтверждение даёт вращение чёрных дыр. «Положение разрыва хорошо совпадает с ранее обнаруженным переходом в распределении спинов: системы с первичными компонентами в этой области вращаются быстрее», — отмечают исследователи. Это указывает на существование подвыборки иерархических слияний, где одна из чёрных дыр уже является продуктом предыдущего столкновения.

Небольшое число чёрных дыр, «нарушающих запрет», создаёт новую загадку. Это означает, что наши модели звёздной эволюции и формирования чёрных дыр пока не полны.

Естественные вопросы теперь такие: насколько часто происходят сверхновые парной нестабильности? И насколько эффективно чёрные дыры наращивают массу через слияния?

Ответы на них смогут дать только более чувствительные детекторы гравитационных волн и ещё более обширная статистика наблюдений.

Домашнее чтение:

📖 - https://www.nature.com/articles/s41586-026-10359-0