Последние наблюдения гравитационных волн противоречат ожиданиям звездных моделей

Логарифмические апостериорные распределения для глубины разрыва, выведенные из пяти фиктивных каталогов, содержащих массовый разрыв, каждый из которых содержит 250 идеально измеренных событий. Обратите внимание, что апостериорная поддержка для A = 0 исчезающе мала в фиолетовом каталоге. Автор: The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad7ea8

До сих пор эти модели предсказывают малое количество пар двойных черных дыр, где каждая черная дыра имеет массу, примерно в 10-15 раз превышающую массу Солнца. Этот «провал или разрыв массы» в диапазоне масс, где черные дыры редко образуются, зависит от предположений, сделанных в моделях; в частности, от соотношения двух масс в двойной системе.

Ядро звезды — это чрезвычайно горячая, плотная область в ее центре, объем, где температура и давление позволяют производить энергию посредством термоядерного синтеза водорода в гелий. «Компактность» ядра — это мера того, насколько плотно ядро относительно его радиуса; по сути, это отношение массы ядра к радиусу ядра.

Теоретические модели звезд предполагают, что компактность звездных ядер не увеличивается монотонно с массой звезды, как можно было бы предположить. Вместо этого, по-видимому, наблюдается провал в компактности ядра для определенного диапазона массы ядра, который зависит от металличности звезды (доли ее массы, состоящей из элементов тяжелее водорода и гелия) и истории ее переноса массы — переноса массы от других звезд и к другим звездам.

Компактность ядра также является показателем взрывоопасности звезды — более низкая компактность ядра благоприятствует взрыву сверхновой. Ожидается, что звезды вблизи массы провала компактности взорвутся в сверхновые, оставив после себя нейтронную звезду. Но звезды с массами по обе стороны провала, как предсказывают, вообще избегут взрывов и коллапсируют в черные дыры, известные как «неудавшиеся сверхновые», или образуют черные дыры после более слабых взрывов и частичного падения.

Предполагается, что это несоответствие приведет к разрыву в результирующем распределении масс черных дыр, в частности, между 10 и 15 массами Солнца.

С точки зрения гравитационных волн, разрыв ожидается как провал в «чирп-массе» двойной пары. Чирп-масса пары представляет собой определенную математическую комбинацию двух компонентных масс черных дыр; она влияет на частотную эволюцию обнаруженной волны по мере того, как расстояние между черными дырами становится все меньше и меньше (прилагательное «чирп» происходит от аналогии со звуковыми волнами).

Предыдущая работа показала, что в данных гравитационных волн есть доказательства провала в массе чирпа между 10 и 12 массами Солнца, а также популяционный анализ распределения массы чирпа двойной черной дыры. Последний нашел поддержку разрыва в пределах 90% достоверного интервала.

Однако, соотнесение предсказанных характеристик отдельных масс с массой чирпа требует дополнительных предположений о паре между двумя массами в сливающейся двойной. Одно из них заключается в том, что отдельные массы почти равны. Однако без этого предположения предполагаемый разрыв масс чирпа в 10-12 солнечных масс не может быть надежным заменителем разрыва масс компонентов в 10-15 солнечных масс. (Масса чирпа всегда меньше масс отдельных компонентов, поскольку она является взвешенным геометрическим средним.)

Используя новые данные из последнего ( третьего) каталога гравитационных волн, составленного на основе 250 обнаружений гравитационных волн, ведущий автор Кристиан Адамсевич из Университета Монаша в Австралии и другие австралийские коллеги исследовали распределение компонентов двойной черной дыры, чтобы найти доказательства существования разрыва масс ЛЧМ-системы.

Они начали с построения модели популяции для масс компонентов двойной черной дыры, включая разрыв, используя предложение, изложенное ранее.

«Эта модель обладает гибкостью, позволяющей ей захватывать ключевые особенности распределения массы [двойной черной дыры] за пределами диапазона зазора», — написали они, перепроверяя ее с помощью кривых, соответствующих известным распределениям массы. Затем они добавили гибкий зазор к своей одномерной модели, используя режекторный фильтр с параметрами, которые управляли верхним и нижним краями зазора и его глубиной.

Используя эту модель в качестве основы, они построили двумерную модель для двухкомпонентных черных дыр двойной системы, но не указали, как компоненты черных дыр соединяются друг с другом. Они использовали ранее написанное программное обеспечение для моделирования спиновых распределений компонентов.

Применив данные о гравитационных волнах из третьего каталога, Адамцевич и соавторы обнаружили, что это «согласуется» с наличием разрыва в массах компонентов двойной системы в диапазоне от 10 до 15 солнечных масс (каждый), как и предсказывалось, а также согласуется с недостатком масс компонентов в диапазоне от 14 до 22 солнечных масс, как также предсказывалось.

«Однако нет существенного статистического предпочтения для любой такой функции», — заключили они. Их результаты показали «отсутствие предпочтения для случая полностью пустого промежутка... по сравнению со случаем отсутствия промежутка вообще».

Это «возможно, неудивительно», пишут они, отмечая, что предыдущая работа показала, что дефицит двойных черных дыр иногда может возникать из-за статистически случайного шума.

Более того, они обнаружили, что падение массы компонента, если оно существует в природе, вряд ли будет «разрешимо» к концу текущего четвертого наблюдательного цикла (O4), который завершится 9 июня 2025 года с участием гравитационно-волновых обсерваторий LIGO, Virgo (Италия) и KAGRA (Япония).

Более глубокое понимание компактности звездного ядра и судьбы коллапсирующих сверхновых будет зависеть от последующих обнаружений гравитационных волн или от более крупных обсерваторий гравитационных волн, таких как предлагаемая космическая лазерная интерферометрическая антенна (LISA).

Больше информации: Christian Adamcewicz et al, No Evidence for a Dip in the Binary Black Hole Mass Spectrum, The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad7ea8