Почему астрономы считали, что масса большинства или всех звездных черных дыр не превышает 15 масс Солнца?

Так называемые «массовые разрывы» для черных дыр, согласно теоретическим моделям, составляют от 2-5 масс Солнца до 50-150 масс Солнца. (На самом деле, я читал, что нет веских теоретических причин для меньшего разрыва в 2-5 солнечных масс....)

Нижняя массовая щель подозревается наблюдателями, потому что нам еще предстоит наблюдать нейтронную звезду с массой, превышающей примерно 2 M.$_{\odot}$(планки погрешностей в таких измерениях сильно различаются в зависимости от метода наблюдения, и в настоящее время ведутся споры относительно того, какая нейтронная звезда является самой массивной из известных в настоящее время), а также потому, что мы также не обнаружили черную дыру в рентгеновской двойной системе. чья масса ниже примерно 6 M$_{\odot}$. Однако слияние двойных нейтронных звезд может привести к образованию черной дыры, которая может оказаться в этом меньшем интервале между массами. Таким образом, в действительности щель, скорее всего, будет заселена массивными нейтронными звездами (если они вращаются очень быстро и имеют наклонение и т. д.) и маломассивными черными дырами, образовавшимися в результате слияния двойных нейтронных звезд .

Текущая номенклатура масс наблюдаемых черных дыр отражает неопределенность, присущую полю. Прямо сейчас, хотя пределы условны: звездная масса означает$\lesssim 100$М$_\odot$, значит промежуточная масса$\sim 1000 - 10^5$М$_\odot$, сверхмассивные средства$\gtrsim 10^6$М$_\odot$. В общей теории относительности нет верхнего предела массы черной дыры, но астрофизические и космологические соображения, хотя и зависят от модели, могут дать верхний предел около $10^{11}$, но может быть и больше. Их называли «невероятно большими» и «сверхмассивными».

Теоретически ограничения этой нижней массовой щели мотивированы снизу звездной эволюцией, например, ожидается, что нейтронные звезды будут формироваться только до определенной массы (в зависимости от металличности) и астрофизическими процессами, такими как аккреция. Очень важно, что границы зависят от уравнения состояния ядерного материала, которое является неопределенным и является одним из «Святых Граалей», которые ищут гравитационно-волновые (ГВ) астрономы.

Поэтому люди часто просто пишут диапазон$2 - 5$для простоты при написании научно-популярных статей. Обычно считается, что верхняя щель между массами, приписываемая сверхновой с парной нестабильностью, составляет около$50 - 150$М$_{\odot}$(это масса черной дыры), но эти пределы неопределенны, потому что они зависят от неопределенностей моделей звездной эволюции и физики сверхновых. Как и в случае с более низкой массовой щелью, эта щель на практике может быть заселена черными дырами, которые образуются в результате иерархических слияний в плотных звездных скоплениях (динамический канал) или в результате эволюции изолированных двойных звезд, которые в принципе могут производить высокие звездные скопления. массивные двойные объекты, такие как GW190521, которые пережили неудавшуюся сверхновую, хотя это сомнительно, поскольку это зависит от звездных ветров и расчетов массы ядра.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Как поясняет Роб ниже, история теорий потери массы звездным ветром является активной областью. Прародителями черных дыр звездной массы являются звезды большой массы (т.е.$m_{\rm ZAMS} \gtrsim 30$М$_{\odot}$). Например, звезды Вольфа-Райе рассматривались как конечная точка звездной ядерной эволюции звезд большой массы с 1980-х годов. Звезды WR имеют сильные для своего размера ветры, управляемые линиями , подобно звездам O-типа, из которых они, вероятно, произошли. Скорость потери массы с поверхности звезды обычно моделируется как степенной закон светимости и металличности звезды, т.е. более высокая масса и более высокая металличность подразумевают большую потерю массы. Таким образом, изначально массивная звезда будет испытывать сильные ветры, особенно если она имеет высокую металличность (как указывает Роб, среда с низкой металличностью может быть локусом черных дыр вблизи или в нашей галактике). Однако, как вы могли слышать/читать в научно-популярных и научных статьях, это не исключает существования массивных черных дыр! самые массивные звезды, которые мы наблюдали на сегодняшний день, являются звездами WR , что означает, что они могли развиться из еще более массивных звезд, и в крайнем случае сверхмассивные звезды считаются «семенем » сверхмассивных черных дыр.

Но я также читал, что астрофизики были удивлены, обнаружив черные дыры больше 15 солнечных масс с помощью гравитационно-волновой обсерватории LIGO...

Я подозреваю, что вы читали это в научно-популярных статьях, которые часто не отражают должным образом настроение научной статьи, но это трудно сделать. Причина, по которой кто-либо был бы «удивлен», обнаружив черные дыры с массой более 15 М$_{\odot}$, заключается в том, что до открытия черных дыр (из прямых обнаружений гравитационных волн) у нас были только предположительные доказательства существования черных дыр звездной массы из наблюдений рентгеновских двойных систем. См . здесь и здесь обзоры известных черных дыр звездной массы в рентгеновских двойных системах.

«Эти наблюдения очень трудно объяснить с помощью астрофизических сценариев, и их довольно легко объяснить с помощью первичных черных дыр», — говорит Себастьен Клесс, космолог из Брюссельского университета в Бельгии».

Опять же, это зависит только от того, кого вы спрашиваете. Все хотят сказать, что их работа является наиболее подходящим каналом формирования того, что видят LIGO/Virgo, и это нормально, потому что количество известных источников все еще слишком мало, чтобы делать строгие заявления о формировании источников ЧДД из обнаружений GW. Кроме того, поскольку отношение сигнал/шум, которого могут достичь современные детекторы, очень низкое (например, редко превышает ~20), очень трудно ограничить возможное формирование даже одного события. Поэтому многие события, находящиеся на грани нынешних теоретических неопределенностей, называются «труднообъяснимыми». Эта цитата, которую вы предоставили, является прекрасной демонстрацией этого, поскольку на самом деле нет никаких доказательств того, что первичные черные дыры вообще существуют !!!

Для события, о котором вы конкретно спрашивали, GW190814, это сложно в основном из-за очень малой массы вторички. Но это можно было бы объяснить, например, изолированной эволюцией двойной звезды с изначально очень низким отношением масс, где менее массивный компонент мог эволюционировать в нейтронную звезду или черную дыру. Есть люди, которые изучают изолированную бинарную эволюцию, и они утверждают, что все источники LIGO могут быть объяснены их каналом, но они настраивают свои симуляции для получения результатов LIGO. Есть люди, которые изучают динамическую эволюцию канала и утверждают, что есть веские доказательства того, что тот или иной источник происходит из этого канала. Людям приходится писать статьи и финансировать своих студентов, и они проделывают большую подготовительную работу, которая сделает более строгие исследования правдоподобными, как только у нас появятся более крупные выборки известных источников.

Я где-то читал, что до LIGO не было обнаружено звездных черных дыр с массой выше 15,65 массы Солнца, но в этой ссылке не говорилось, что ничего не ожидается с массой выше этой...

Я надеюсь, что я разъяснил это сейчас! Если вы читали документы сообщества GW до 2015 года, например, этот обзор, они, безусловно, ожидали увидеть двойные черные дыры с массами более 15 млн.$_\odot$.

Добавление к папе Кропоткину отличный ответ. Физическая причина, по которой вы, возможно, не ожидали появления черных дыр с массой более 15 солнечных, связана с потерей звездной массы (что крайне неопределенно и является активной областью исследований).

Звезды постоянно теряют массу из-за своих звездных ветров, что снижает конечную массу звезды и, следовательно, массу черной дыры, которую она может создать. Эта потеря массы сильно зависит от количества металлов в звезде и массы звезды. Таким образом, массивные звезды (из которых образуются черные дыры) перед смертью теряют много массы, поэтому сначала вам нужны еще более тяжелые звезды, чтобы иметь достаточную массу, чтобы образовать черные дыры выше 15 мсолнце, и чем тяжелее начальная масса звезды, тем реже, как ожидается. Для звезд Млечного Пути (которые считаются богатыми металлами) это еще сложнее, поскольку присутствие металлов увеличивает скорость потери массы.

Не невозможно сделать большие черные дыры в MW (см. различные рентгеновские системы), но это сложно. Один из вариантов — искать черные дыры в средах с низкой металличностью, где ветер будет слабее. Но тогда мы меньше знаем о скорости звездообразования в этих средах, поэтому сложнее определить, сколько черных дыр будет сформировано. Другой вариант — снизить прогнозируемую потерю массы из-за ветра, к чему и стремится недавняя теория ветра. Так что в прошлом мы, возможно, переоценивали количество потерянной массы и, таким образом, недооценивали окончательные массы черных дыр.

Я не думаю, что есть какая-то неожиданность, и черные дыры с массами примерно до 50 масс Солнца ожидались в других, далеких галактиках.

Верхний предел в 15-20 солнечных масс возникает у черных дыр, которые образуются из звезд в газе, богатом металлами. т.е. мы ожидаем верхний предел около 20 солнечных масс для черных дыр в нашей собственной Галактике.

Однако такого ограничения нет для черных дыр, образовавшихся в далекой (прошлой) Вселенной, потенциально в галактиках, которые очень бедны металлами. Там торможение потери массы из-за звездных ветров из-за меньшей непрозрачности бедных металлом оболочек приводит к большей остаточной массе и большим черным дырам.

Вот два изображения, которые обобщают ситуацию, из чрезвычайно влиятельного обзора Heger et al. (2003) , опубликованные задолго до обнаружения LIGO. Красная линия на каждом графике показывает соотношение между начальной массой звезды (ось x) и конечной массой остатка по оси y. Это показывает, что остатки черных дыр массой примерно до 50 солнечных должны были образоваться из массивных звезд в первичном газе и, возможно, даже выше для массивных прародителей за пределами промежутка «парная нестабильность сверхновых»; но, возможно, существует / был верхний предел около 10 солнечных масс для массивных звезд с солнечной металличностью. (Я видел где-то более позднюю версию этого графика с верхним пределом около 20 масс Солнца в богатых металлами звездах).

До LIGO, конечно, все черные дыры (звездного размера) и кандидаты в черные дыры находились в нашей собственной (богатой металлами) галактике, вращаясь вокруг звезд, богатых металлами. Поэтому нет ничего удивительного в том, что все они имели массы ниже 20 масс Солнца.