DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/stag073
تاريخ النشر: 2026-01-19
المؤلف: Djuna Croon وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث النباضات والموجات الجاذبية
نظرة عامة
حدث موجة الجاذبية GW231123، الذي تم اكتشافه بواسطة LIGO، يتضمن ثقبين أسودين بكتل إطار المصدر تبلغ \(137^{+23}_{-18} \, M_\odot\) و\(101^{+22}_{-50} \, M_\odot\)، يقعان ضمن فجوة كتلة الثقب الأسود الناتجة عن عدم الاستقرار الثنائي كما تنبأت به نظرية تطور النجوم. ومن الجدير بالذكر أن كلا الثقبين الأسودين يظهران دورانًا سريعًا، مع معلمات دوران بلا أبعاد تقريبًا \( \chi_1 \approx 0.9 \) و\( \chi_2 \approx 0.8\). يتم التعرف على الثقب الأسود الرئيسي كأثقل ثقب أسود بكتلة نجمية تم رصده حتى الآن، مما يثير تساؤلات حول آلية تكوينه، خاصة بالنظر إلى دورانه الشديد الذي يطرح تحديات لنماذج الاندماج الهرمي.
لاستكشاف تكوين مثل هذا الثقب الأسود الضخم والذي يدور بسرعة، يقوم المؤلفون بمحاكاة انهيار نجم ضخم دوار واحد بكتلة نواة أولية تبلغ \(160 \, M_\odot\). تأخذ المحاكاة في الاعتبار معدلات دوران مختلفة ومعدلات تفاعل \(^{12}\text{C}(\alpha, \gamma)^{16}\text{O}\)، مع تضمين دوران تفاضلي لاستكشاف سيناريوهات الدوران العالي. تشير النتائج إلى أن الدوران يمكن أن يرفع فجوة الكتلة الناتجة عن عدم الاستقرار الثنائي، مما يثبت وجود ارتباط كبير بين كتل الثقوب السوداء والدورانات في توقعات موجات الجاذبية. من المهم أن الدراسة تستنتج أن الثقوب السوداء التي تزيد كتلتها عن \(150 \, M_\odot\) يمكن أن تتشكل فوق فجوة الكتلة، مما يشير إلى أن الثقب الأسود الرئيسي في GW231123 قد يمثل أول ملاحظة مباشرة لثقب أسود ناتج عن انهيار النواة بعد عدم الاستقرار الناتج عن تفكك الفوتونات.
مقدمة
في 23 نوفمبر 2023، اكتشف كل من مقياسي تداخل LIGO في هانفورد وليفنجستون حدث موجة جاذبية كبير، GW231123، يُعزى إلى اندماج ثقبين أسودين (BHs) بكتل إطار المصدر تبلغ $m_1 = 137^{+23}_{-18} M_\odot$ و$m_2 = 101^{+22}_{-50} M_\odot$، عند انزياح أحمر قدره $z \approx 0.39$. يتميز هذا الحدث بمدى كتلة إجمالية يتراوح بين $190-265 M_\odot$ ودورات عالية ($\chi_1 \approx 0.90^{+0.10}_{-0.19}$، $\chi_2 \approx 0.80^{+0.20}_{-0.51}$)، ويمثل فئة جديدة من الأنظمة الثنائية، مما يثير تساؤلات حول أصوله الفلكية. يقترح المؤلفون أن الكتل والدورات العالية تتحدى نموذج الاندماج الهرمي، الذي يتنبأ عادةً بتوزيع دوران يتركز حول $\chi \sim 0.7$. بدلاً من ذلك، يقترحون أن الثقب الأسود الرئيسي قد تشكل من الانهيار المباشر لنجم ضخم دوار، خاصة بالنظر إلى تداعيات فجوة كتلة الثقب الأسود الناتجة عن عدم الاستقرار الثنائي (BHMG).
تشير فجوة كتلة الثقب الأسود، المتأثرة بعوامل مثل معدل تفاعل $^{12}\text{C}(\alpha, \gamma)^{16}\text{O}$، إلى أنه إذا كان الثقب الأسود الرئيسي بلا دوران، فمن المحتمل أن يتجاوز فجوة الكتلة ما لم يتم تلبية شروط معينة. ومع ذلك، فإن الدوران العالي لـ GW231123 يعقد هذا السيناريو، حيث تشير الدراسات السابقة إلى أن الدوران يمكن أن يرفع الحافة السفلية لـ BHMG. يستكشف المؤلفون سيناريو حيث يسمح النقل الداخلي غير الفعال للعزم الزاوي للنواة بالحفاظ على دوران كبير حتى الانهيار، مما يتحدى نماذج تطور النجوم التقليدية. كما يشيرون إلى مسارات تطورية مختلفة يمكن أن تؤدي إلى دوران نواة كبير، مما يعدل حدود عدم الاستقرار الثنائي في حالات متطرفة مثل GW231123.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. عادةً ما يتضمن بيانات كمية، وتحليلات إحصائية، وتمثيلات بصرية مثل الرسوم البيانية أو الجداول التي توضح النتائج. غالبًا ما تتم مقارنة النتائج مع الفرضيات أو الدراسات السابقة لتسليط الضوء على الفروق أو التأكيدات المهمة.
في هذا القسم، قد يبلغ المؤلفون عن مقاييس محددة، مثل القيم المتوسطة، والانحرافات المعيارية، أو قيم p، لدعم استنتاجاتهم. بالإضافة إلى ذلك، يتم مناقشة أي اتجاهات أو أنماط ملحوظة في البيانات، مما يوفر رؤى حول تداعيات النتائج. بشكل عام، يخدم هذا القسم لنقل الأدلة التجريبية التي تدعم أهداف البحث وتساهم في الفهم الأوسع للموضوع.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تداعيات عدم استقرار انهيار النواة، مع التركيز بشكل خاص على السوبرنوفا الناتجة عن عدم الاستقرار الثنائي (PISN) وعدم استقرار تفكك الفوتونات في النجوم الضخمة. تسلط الدراسة الضوء على أنه عند درجات حرارة النواة التي تتجاوز \(10^9\) كلفن، يمكن للفوتونات عالية الطاقة أن تخلق أزواجًا من الإلكترونات والبوزيترونات، مما يؤدي إلى تليين معادلة الحالة والانكماش اللاحق للنواة. يمكن أن يؤدي هذا الانكماش إلى إشعال احتراق نووي انفجاري، بشكل أساسي للأكسجين، والذي قد إما أن يعطل النجم تمامًا أو يطرد طبقاته الخارجية في PISN، اعتمادًا على مدى الكتلة. يؤكد المؤلفون على الدور الحاسم لمعدل تفاعل \(^{12}\text{C}(\alpha, \gamma)^{16}\text{O}\) في تحديد عتبات الكتلة لهذه الأحداث، مشيرين إلى عدم اليقين الكبير في هذا المعدل الذي يؤثر على حدود فجوة كتلة الثقب الأسود (BHMG).
تستكشف المحاكاة التي أجريت في هذه الدراسة آثار دوران النجوم ومعدلات التفاعل النووي على BHMG. يجد المؤلفون أن الدوران السريع يمكن أن يثبت النجوم الضخمة ضد عدم الاستقرار الثنائي، مما يسمح لها بتجنب الظروف التي تؤدي إلى انهيار ناتج عن تفكك الفوتونات. تشير نتائجهم إلى أن الثقب الأسود الرئيسي في حدث موجة الجاذبية GW231123، بكتلة تبلغ حوالي \(137 \, M_\odot\)، يمكن أن يتشكل بشكل معقول عبر انهيار عدم الاستقرار الناتج عن تفكك الفوتونات، حتى في غياب النقل الفعال للعزم الزاوي. تشير النتائج إلى أن حدود فجوة الكتلة تتغير مع اختلاف معدلات الدوران ومعدلات التفاعل النووي، مما يعزز الفكرة القائلة بأن الخصائص الملحوظة لـ GW231123 يمكن تفسيرها من خلال عمليات تطور النجوم القياسية بدلاً من الحاجة إلى سيناريوهات تكوين غريبة. يخلص المؤلفون إلى أن عملهم يوفر أساسًا لدراسات مستقبلية حول تجمعات موجات الجاذبية، مؤكدين على الحاجة لاستيعاب أنظمة مثل GW231123 ضمن إطار تطور النجوم.
DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/stag073
Publication Date: 2026-01-19
Author(s): Djuna Croon et al.
Primary Topic: Pulsars and Gravitational Waves Research
Overview
The gravitational wave event GW231123, detected by LIGO, involves two black holes with source-frame masses of \(137^{+23}_{-18} \, M_\odot\) and \(101^{+22}_{-50} \, M_\odot\), situated within the pair-instability black hole mass gap predicted by stellar evolution theory. Notably, both black holes exhibit rapid spins, with dimensionless spin parameters approximately \( \chi_1 \approx 0.9 \) and \( \chi_2 \approx 0.8\). The primary black hole is identified as the heaviest stellar mass black hole observed to date, prompting inquiries into its formation mechanism, particularly given its extreme rotation which poses challenges for hierarchical merger models.
To explore the formation of such a massive and rapidly spinning black hole, the authors simulate the collapse of a single rotating massive star with an initial core mass of \(160 \, M_\odot\). The simulations account for various rotation rates and \(^{12}\text{C}(\alpha, \gamma)^{16}\text{O}\) reaction rates, incorporating differential rotation to investigate high-spin scenarios. The findings indicate that rotation can elevate the pair-instability mass gap, establishing a significant correlation between black hole masses and spins in gravitational wave predictions. Importantly, the study concludes that black holes with masses greater than \(150 \, M_\odot\) can form above the mass gap, suggesting that the primary black hole in GW231123 may represent the first direct observation of a black hole resulting from core collapse following the photodisintegration instability.
Introduction
On November 23, 2023, the LIGO Hanford and Livingston interferometers detected a significant gravitational wave event, GW231123, attributed to the merger of two black holes (BHs) with source-frame masses of $m_1 = 137^{+23}_{-18} M_\odot$ and $m_2 = 101^{+22}_{-50} M_\odot$, at a redshift of $z \approx 0.39$. This event, characterized by a total mass range of $190-265 M_\odot$ and high spins ($\chi_1 \approx 0.90^{+0.10}_{-0.19}$, $\chi_2 \approx 0.80^{+0.20}_{-0.51}$), represents a new class of binary systems, prompting inquiries into its astrophysical origins. The authors suggest that the high masses and spins challenge the hierarchical merger model, which typically predicts a spin distribution peaking around $\chi \sim 0.7$. Instead, they propose that the primary BH may have formed from the direct collapse of a rotating massive star, particularly considering the implications of the pair-instability black hole mass gap (BHMG).
The BHMG, influenced by factors such as the $^{12}\text{C}(\alpha, \gamma)^{16}\text{O}$ reaction rate, suggests that if the primary BH had zero spin, it would likely exceed the mass gap unless specific conditions were met. However, the high spin of GW231123 complicates this scenario, as previous studies indicate that rotation could elevate the lower edge of the BHMG. The authors explore a scenario where inefficient internal angular momentum transport allows the core to maintain significant rotation until collapse, challenging conventional stellar evolution models. They also reference various evolutionary pathways that could lead to substantial core rotation, thereby modifying the pair-instability boundaries in extreme cases like GW231123.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments or analyses. It typically includes quantitative data, statistical analyses, and visual representations such as graphs or tables that illustrate the outcomes. The results are often compared against the hypotheses or previous studies to highlight significant differences or confirmations.
In this section, the authors may report on specific metrics, such as mean values, standard deviations, or p-values, to support their conclusions. Additionally, any observed trends or patterns in the data are discussed, providing insights into the implications of the findings. Overall, this section serves to convey the empirical evidence that underpins the research objectives and contributes to the broader understanding of the topic.
Discussion
In this section, the authors discuss the implications of core collapse instabilities, particularly focusing on pair-instability supernovae (PISN) and photodisintegration instability in massive stars. The study highlights that at core temperatures exceeding \(10^9\) K, high-energy photons can create electron-positron pairs, leading to a softening of the equation of state and subsequent core contraction. This contraction can trigger explosive nuclear burning, primarily of oxygen, which may either completely disrupt the star or eject its outer layers in a PISN, depending on the mass range. The authors emphasize the critical role of the \(^{12}\text{C}(\alpha, \gamma)^{16}\text{O}\) reaction rate in determining the mass thresholds for these events, noting significant uncertainties in this rate that affect the boundaries of the black hole mass gap (BHMG).
The simulations conducted in this study explore the effects of stellar rotation and nuclear reaction rates on the BHMG. The authors find that rapid rotation can stabilize massive stars against pair instability, allowing them to avoid conditions that lead to photodisintegration-induced collapse. Their results suggest that the primary black hole in the gravitational wave event GW231123, with a mass of approximately \(137 \, M_\odot\), could plausibly form via photodisintegration instability collapse, even in the absence of efficient angular momentum transport. The findings indicate that the mass gap’s boundaries shift with varying rotation rates and nuclear reaction rates, reinforcing the idea that the observed properties of GW231123 can be explained through standard stellar evolution processes rather than requiring exotic formation scenarios. The authors conclude that their work provides a foundation for future gravitational wave population studies, emphasizing the need to accommodate systems like GW231123 within the framework of stellar evolution.