Гравітаційно-хвильові дані підтверджують «заборонений діапазон» мас чорних дір

Міжнародна наукова група, очолювана дослідниками з Університету Монаша, опублікувала у випуску журналу Nature від 1 квітня 2026 року вагомі докази на користь існування наднових типу парної нестабільності. Це відкриття ґрунтується на ретельному аналізі гравітаційно-хвильових сигналів, отриманих від злиття чорних дір, що дозволяє підтвердити теоретичне передбачення про існування так званого «забороненого діапазону» мас чорних дір, які не можуть утворитися безпосередньо з поодиноких масивних зірок. Дослідження проливає світло на кінцеві стадії життєвого циклу наймасивніших зірок, пропонуючи прямий зв'язок між астрофізикою гравітаційних хвиль та ядерними реакціями у зоряних ядрах.

Ключовим аспектом аналізу є спостереження прогалини у спектрі мас чорних дір, що зливаються, особливо щодо меншого компонента у парах. Дані вказують на рідкість чорних дір з масами, що перевищують 45 сонячних мас, оскільки їхні зорні попередники, ймовірно, вибухнули як надновісні типу парної нестабільності, не залишивши після себе жодного залишку. Цей феномен, вперше передбачений Фредом Гойлом та Вільямом Фаулером ще у 1964 році, полягає у тому, що надмірна енергія, вивільнена при утворенні пар електрон-позитрон, спричиняє повне руйнування зірки. У дослідженні брали участь такі ключові особистості, як Хюі Тонг, аспірант Університету Монаша та OzGrav, професор Майя Фішбах з Університету Торонто (CITA), а також професор Ерік Трайн, головний дослідник OzGrav.

Хюі Тонг дійшов висновку, що відсутність зоряно-похідних чорних дір у забороненому діапазоні пояснюється саме цими вибухами парної нестабільності. Професор Фішбах підкреслила, що результати надають непрямі докази існування наднових типу парної нестабільності та підтверджують механізм зростання чорних дір через багаторазові злиття. Це відкриття має значну актуальність, оскільки воно вирішує давнє питання про долю наймасивніших зірок у Всесвіті, дозволяючи вченим використовувати спостереження за чорними дірами для вивчення зоряних ядерних процесів. Теоретично, зірки з масою понад певний поріг зазнають наднових парної нестабільності, які повністю руйнують зірку, тоді як менш масивні зірки колапсують у чорні діри.

Дослідження, опубліковане у Nature, спирається на надійні спостережні дані мережі обсерваторій LIGO-Virgo-KAGRA, що підкреслює високий рівень наукової строгості, застосованої до інтерпретації гравітаційно-хвильових сигналів. Попередні дослідження, зокрема аналіз подій на кшталт GW231123, виявляли чорні діри з масами, що перевищують 100 сонячних мас, які також вважалися «забороненими» згідно зі стандартними моделями зоряної еволюції, що наштовхувало на думку про ієрархічне формування через злиття. Однак, нова робота, яка фокусується на меншому кінці цього «забороненого діапазону», надає пряміший доказ механізму, що унеможливлює пряме утворення чорних дір у цьому інтервалі мас. Наприклад, у 2024 році було зафіксовано злиття, де один з об'єктів потрапляв у «нижній масовий проміжок» (між нейтронними зорями та чорними дірами), що свідчить про складність класифікації компактних об'єктів.

Професор Майя Фішбах пояснювала, що зірки, які перевищують певний поріг маси, переживають «парну нестабільність», коли ядро стає настільки гарячим, що світло розпадається на пари електронів і позитронів, що призводить до тимчасового виграшу гравітації та контракції. Якщо це призводить до вибухового займання кисню в ядрі, відбувається повний вибух, що відповідає надновій парної нестабільності. Дослідження, проведене командою, включаючи роботи з Університету Торонто, де професор Фішбах є частиною LVK, демонструє, що чорні діри в цьому діапазоні мас, ймовірно, є продуктом попередніх злиттів, а не прямим наслідком колапсу однієї зірки. Це підтверджує, що гравітаційно-хвильова астрономія є потужним інструментом для емпіричної перевірки складних теорій зоряної еволюції, які раніше перевірялися лише через хімічні сліди у зірках раннього Всесвіту, як у випадку з LAMOST J1010+2358.