Ученые давно подозревали, что во Вселенной существует так называемый «провал масс» черных дыр (ЧД). Согласно теории, звезды определенной массы не должны напрямую коллапсировать в ЧД. Причина — редкий тип катастрофических взрывов так называемой парно-нестабильной сверхновой. В недрах очень массивной звезды гамма-излучение начинает порождать пары электрон-позитрон, давление падает, и светило либо частично теряет массу, либо полностью разрушается.  Из-за этого должна возникать «запретная зона»: черных дыр массой примерно от 40 до 130 масс Солнца, образовавшихся из одиночных звезд, существовать почти не должно. Детекторы LIGO, Virgo и KAGRA, однако, уже несколько лет фиксируют слияния объектов, которые, похоже, попадают именно в этот диапазон. Астрофизики спорили: либо теория неполна, либо такие черные дыры появляются необычным путем, например, через повторные слияния в плотных звездных скоплениях.  Авторы нового исследования, опубликованного в журнале Nature Astronomy, проанализировали крупнейший каталог гравитационно-волновых событий GWTC-4, включающий 153 слияния ЧД. Астрономы изучали не только массы объектов, но и их вращение. Выяснилось, что большинство ЧД массой меньше 45 солнечных вращаются сравнительно медленно и ориентированы одинаково — так ведут себя объекты, возникшие в результате коллапса звезд. Однако выше этой отметки картина заметно меняется: черные дыры начинают вращаться быстрее, а направления их вращения становятся хаотичными.   [shesht-info-block number=1] Такое поведение хорошо соответствует сценарию «иерархических слияний», когда ЧД в плотных шаровых скоплениях могут неоднократно сталкиваться и сливаться. В результате возникают объекты, способные «заполнить» предполагаемый провал масс. При этом повторные слияния естественным образом создают быстро вращающиеся черные дыры с хаотичной ориентацией осей — именно это астрономы и увидели.   Нижнюю границу запретной зоны оценили примерно в 44 массы Солнца. Удивительно, но по этой границе также удалось вычислить скорость ядерной реакции, при которой углерод в недрах звезды превращается в кислород. Эта реакция — одна из главных неопределенностей астрофизики: измерить ее в лаборатории крайне трудно, так как условия внутри светил невозможно полностью воспроизвести на Земле. Теперь же роль гигантской лаборатории сыграла сама Вселенная.   Исследователи также вывели значение так называемого S-фактора — параметра, описывающего вероятность реакции углерода с гелием. От него зависит химический состав ядра звезды перед взрывом: чем быстрее углерод превращается в кислород, тем раньше возникает парная нестабильность и тем легче звезда разрушается вместо образования ЧД. По сути, гравитационные волны позволили косвенно измерить процессы, происходящие в раскаленных ядрах звезд за миллионы лет до их гибели.  [shesht-info-block number=2] Открытие связывает сразу несколько областей науки — гравитационно-волновую астрономию, физику черных дыр, эволюцию звезд и ядерную физику. Такие измерения могут помочь понять, как в галактиках формировались химические элементы и почему одни звезды становятся нейтронными, а другие — черными дырами.  Точность таких оценок будет расти с каждым новым каталогом гравитационных волн, а значит, астрономы смогут все глубже изучать процессы, которые раньше были доступны лишь теоретическим моделям.

В 1990 году спелеологи обнаружили в пещере Брюникель на юго-западе Франции, недалеко от Тулузы, необычные рукотворные сооружения, возведенные в 336 метрах от входа. Эти сооружения — круги из более чем 400 сталагмитов.  Международная команда археологов, палеоантропологов и геологов под руководством Софи Верхейден (Sophie Verheyden) из Королевского бельгийского института естественных наук подробно изучила конструкции и в 2016 году опубликовала результаты исследования в Nature. Тогда предположили, что круги сложили древние люди приблизительно 176 тысяч лет назад. В тот период сапиенсы еще не встречались в Европе. Поэтому ученые посчитали, что их создатели — неандертальцы.   Эти люди проникли далеко за пределы зоны естественного освещения, отламывали растущие от пола сталагмиты и складывали из них кольцевые конструкции. Диаметр самой крупной составлял порядка семи метров.  Позже пещеру заняли пещерные медведи (Ursus spelaeus), оставившие многочисленные следы своего пребывания. Исследователи предположили, что животные уничтожили большую часть древних отпечатков, включая отпечатки ног, и другие следы деятельности неандертальцев, затоптав и стерев их с глинистой почвы.  Как минимум 140 тысяч лет назад вход в пещеру обрушился, и Брюникель оказалась изолирована от внешнего мира до повторного открытия в 1990 году.  [shesht-info-block number=1] Верхейден и ее коллеги исследовали пещеру снова и на этот раз им улыбнулась удача. Под тонким слоем кальцита рядом с конструкцией из сталагмитов они нашли углубление, которое не было похоже ни на след лапы животного, ни на след ноги человека. Появилось предположение, что это углубление — отпечаток колена неандертальца.  Пока ученые осторожны в выводах. По словам Верхейден, гипотезу необходимо подтвердить или опровергнуть, для этого нужно сравнить отпечаток с другими подобными. Исследователи проведут несколько экспериментов: попросят добровольцев опускаться на колени в разные виды глины, а затем сравнят полученные формы со следом из Брюникеля. До сих пор специалисты подробно изучали древние следы ног, но отпечатками колен почти никто не занимался. Команда Верхейден собирается устранить этот пробел.  Но откуда такая уверенность, что отпечаток древний и оставлен именно неандертальцем, а не зверем? Верхейден пояснила, что углубление покрыл и законсервировал тончайший слой карбоната кальция (CaCO3) — тот же материал, из которого состоят сами сталагмиты. Это надежная «крышка», изолировавшая след на тысячелетия. Эксперт по медведям внимательно изучил находку и вынес вердикт, что след не принадлежит зверю.  Трехмерная реконструкция сооружений в пещере Брюникель / © Xavier MUTH, Pascal Mora Верхейден с коллегами рассматривают еще более амбициозную задачу — поиск ДНК неандертальца. Авторы предыдущих работ доказали, что ДНК способна проникать в кальцит и сохраняться внутри минерала длительное время. Судебно-медицинские эксперты выяснили, что отпечатки колен могут содержать клетки кожи, волосы или следы крови. Обычно такой генетический материал быстро разрушается. Однако в Брюникеле он довольно быстро покрылся минералами, что повысило шанс на сохранение.   Чтобы окончательно убедиться в антропогенном происхождении конструкций, Верхейден и ее коллеги провели комплексное исследование. Они отыскали основания нескольких сломанных сталагмитов и датировали момент их разрушения. Возраст совпал со временем постройки сооружения — 176 тысяч лет назад. Для датировки исследователи использовали уран-ториевый анализ радиоактивных изотопов в кальците, покрывающем сталагмиты. Ученые обратили внимание еще на одну важную деталь: основания некоторых сломанных сталагмитов превышают 20 сантиметров в толщину. Такую прочную колонну случайно не сломает даже крупный пещерный медведь. Значит, неандертальцы прилагали серьезные усилия, добывая строительный материал. Зачем?   [shesht-info-block number=2] При этом расположение сооружений вызывает еще больше вопросов. Круги находятся более чем в 300 метрах от входа. Внутри царит абсолютная темнота. Чтобы добраться туда, неандертальцам требовались надежные источники света. Следы огня в пещере подтверждают, что древние люди использовали освещение. Но исследователи сомневаются, что неандертальцы жили в этой части пещеры постоянно. Слишком неудобным выглядит место для повседневной жизни. Из-за этих факторов у некоторых ученых появились предположения о ритуальном или культурном назначении кольцевых конструкций. Однако Верхейден отметила, что это слишком поспешные выводы.  Сейчас ее команда разрабатывает метод своеобразной «минеральной дактилоскопии» сталагмитов, который позволит понять, из каких частей пещеры брали материал для строительства кругов.  [shesht-info-block number=3] Археологам известны подобные примеры. Некоторые майя добывали сталагмиты в глубине пещер (использовали их как амулеты плодородия), а не брали те, которые находились рядом со входом, хотя сделать это было куда проще. Если исследователи смогут доказать, что материал для кругов неандертальцы целенаправленно отбирали и переносили внутри пещеры, это усилит гипотезу о религиозном характере сооружений. На сегодняшний день в научном сообществе нет единого мнения о существования религии у неандертальцев.  Результаты работы Верхейден представила на конференции Европейского геонаучного союза, которая проходила в Вене.