Черная дыра регулярно отъедает от звезды, отпуская ее от себя

Физики разработали модель, которая отображает удивительную орбиту звезды вокруг сверхмассивной черной дыры.

Об этом рассказывают в Сиракузском университете, передают OstanniPodii.com.

На расстоянии сотен миллионов световых лет в далекой галактике звезда, вращающаяся вокруг сверхмассивной черной дыры, жестоко разрывается на части под действием огромного гравитационного притяжения черной дыры. Когда звезда разрушается, ее остатки превращаются в поток обломков, которые сваливаются обратно на черную дыру, образуя очень горячий и очень яркий диск материала, вращающийся вокруг черной дыры, называемый аккреционным диском. Это явление, когда звезда уничтожается сверхмассивной черной дырой и вызывает яркую аккреционную вспышку, известное как событие приливного разрушения (TDE), и предполагается, что TDE происходят примерно раз в 10 000-100 000 лет в данной галактике.

События аккреции, светимость которых превышает светимость целых галактик (то есть в миллиарды раз ярче нашего Солнца) в течение коротких периодов времени (от нескольких месяцев до нескольких лет), дают астрофизикам возможность изучать сверхмассивные черные дыры (SMBH) с космологических расстояний, что позволяет заглянуть в центральные участки галактик, которые находятся в состоянии покоя или бездействия. Исследуя эти сильные гравитационные события, в которых общая теория относительности Эйнштейна имеет решающее значение для определения поведения материи, TDE дают информацию об одной из самых экстремальных сред во Вселенной: горизонт событий - точку невозврата у черной дыры.

TDE обычно происходят "раз и готово", поскольку экстремальное гравитационное поле SMBH уничтожает звезду, что означает, что SMBH исчезает в темноте после вспышки аккреции. В некоторых случаях, однако, ядро звезды с высокой плотностью может пережить гравитационное взаимодействие с SMBH, что позволяет ей вращаться вокруг черной дыры более одного раза. Исследователи называют это повторяющимся частичным TDE.

В опубликованной в "Astrophysical Journal Letters" статье группа физиков предложила модель повторяющейся частичной TDE. Эта работа описывает захват звезды SMBH, отбор материала каждый раз, когда звезда приближается к черной дыре, и задержку между моментом отбора материала и моментом, когда он снова поступает в черную дыру. В работе команды впервые разработана и используется детальная модель повторяющегося частичного TDE для объяснения наблюдений, предсказания орбитальных свойств звезды в далекой галактике и понимания процесса частичного приливного разрушения.

Команда исследует TDE, известную как AT2018fyk (AT означает "астрофизический транзиент"). Звезда была захвачена SMBH в результате процесса обмена, известного как "захват Хиллса", когда звезда сначала была частью бинарной системы (две звезды, вращающиеся друг вокруг друга под взаимным гравитационным притяжением), которая была разорвана гравитационным полем черной дыры. Другая (не захваченная) звезда была выброшена из центра галактики со скоростью, сравнимой с ~1000 км/с, что известно как гиперскорость звезды.

Поскольку связана с SMBH, звезда, обеспечивающая излучение AT2018fyk, неоднократно срывала свою внешнюю оболочку всякий раз, когда проходила через точку наибольшего сближения с черной дырой. Снятые внешние слои звезды образуют яркий аккреционный диск, который исследователи могут изучать с помощью рентгеновских и ультрафиолетовых/оптических телескопов, наблюдающих свет далеких галактик.

По словам ведущего автора работы Томаса Веверсома, сотрудника Европейской южной обсерватории, возможность изучения частичного TDE дает беспрецедентное понимание существования сверхмассивных черных дыр и орбитальной динамики звезд в центрах галактик.

"До сих пор предполагалось, что когда мы видим последствия тесного столкновения звезды со сверхмассивной черной дырой, результат будет фатальным для звезды, то есть звезда будет полностью уничтожена", - говорит он. "Но в отличие от всех других известных нам TDE, когда через несколько лет мы снова направили телескопы на то же место, мы обнаружили, что звезда снова стала ярче. Это заставило нас предположить, что вместо гибели часть звезды пережила первое столкновение и вернулась в то же место, чтобы снова очиститься от материала, что и объясняет фазу повторного усиления яркости".

Жить, чтобы умереть в другой день

Впервые обнаруженный в 2018 году AT2018fyk сначала был воспринят как обычный TDE. В течение примерно 600 дней источник оставался ярким в рентгеновском диапазоне, но затем резко потемнел и не был обнаружен - результат возвращения ядра звездного остатка в черную дыру, объясняет соавтор работы Дирадж Р. Пашам, научный сотрудник Института астрофизики и космических исследований имени Кавли Массачусетского технологического института.

"Когда ядро возвращается к черной дыре, оно, по сути, забирает весь газ от черной дыры под действием гравитации, в результате чего вещество не может аккрецировать, и система темнеет", - говорит Пашам.

Не сразу было понятно, что вызвало резкое падение светимости AT2018fyk, поскольку TDE обычно плавно и постепенно - не резко - затухают в своем излучении. Но примерно через 600 дней после падения источник снова оказался рентгеновски ярким. Это заставило исследователей предположить, что звезда пережила тесную встречу с SMBH впервые и находится на орбите вокруг черной дыры.

С помощью детального моделирования группа исследователей установила, что орбитальный период звезды вокруг черной дыры составляет примерно 1200 дней, а для того, чтобы сбрасываемый со звезды материал вернулся к черной дыре и начал аккрецировать, требуется около 600 дней. Их модель также позволила определить размер захваченной звезды, которая, по их мнению, была размером с Солнце. Что касается первоначальной двойной звезды, то, по мнению команды, до того, как ее разорвала черная дыра, они находились очень близко друг к другу и, вероятно, вращались друг к другу по орбите каждые несколько дней.

На этой иллюстрации изображена звезда (на переднем плане), которая подвергается спагеттизации, когда ее засасывает сверхмассивная черная дыра (на заднем плане) во время "события приливного разрушения". Credit: ESOM Kornmesser

Як же зірка могла пережити свою смерть? Усе зводиться до питання близькості та траєкторії. Якщо зірка зіткнеться лоб в лоб із чорною дірою й пройде горизонт подій - поріг, за якого швидкість, необхідна для виходу з чорної діри, перевищить швидкість світла, - зірка буде поглинена чорною дірою. Якби зірка пройшла дуже близько до чорної діри та перетнула так званий "приливний радіус" - де приливна сила діри сильніша за гравітаційну силу, яка утримує зірку цілою, - її було б знищено. У запропонованій ними моделі орбіта зірки досягає точки найбільшого зближення, яка перебуває за межами приливного радіуса, але не перетинає його повністю: частина матеріалу на поверхні зірки зривається чорною дірою, але матеріал у її центрі залишається недоторканим.

Повторний вихід?

Як і чи може процес руху зірки по орбіті SMBH відбуватися протягом багатьох повторних проходів - це теоретичне питання, яке команда планує дослідити за допомогою майбутніх симуляцій.

За оцінками команди, від 1 до 10% маси зірки втрачається щоразу, коли вона проходить повз чорну діру, причому великий діапазон зумовлений невизначеністю в моделюванні випромінювання від TDE, пояснює співавтор дослідження Ерік Кофлін, доцент фізики Сиракузького університету.

"Якщо втрата маси становить лише 1%, то ми очікуємо, що зірка переживе ще багато зіткнень, тоді як якщо вона наближається до 10%, то зірка, можливо, вже буде зруйнована", - зазначає Кофлін.

Анімація, що описує подію часткового приливного руйнування - коли чорна діра багаторазово руйнує зірку.

Майбутнє досліджень TDE

Команда стежитиме за небом найближчими роками, щоб перевірити свої прогнози. Ґрунтуючись на своїй моделі, вони прогнозують, що джерело різко зникне приблизно у березні 2023 року і знову стане яскравішим, коли свіжознятий матеріал пригорнеться до чорної діри у 2025 році.

Команда каже, що їхнє дослідження пропонує новий шлях для подальших відстежень і моніторингу джерел, які були виявлені у минулому. Робота також пропонує нову парадигму походження повторюваних спалахів із центрів зовнішніх галактик.

"У майбутньому, ймовірно, більше систем буде перевірено на наявність пізніх спалахів, особливо тепер, коли в рамках цього проєкту запропоновано теоретичну картину захоплення зірки через динамічний обмінний процес і подальше повторюване часткове приливне руйнування", - каже Кофлін. "Ми сподіваємося, що ця модель може бути використана для виведення властивостей далеких надмасивних чорних дір і розуміння їхніх "демографічних характеристик", тобто кількості чорних дір у певному діапазоні мас, що в інших випадках важко отримати безпосередньо".

Команда каже, що модель також робить кілька перевірених прогнозів щодо процесу приливного руйнування, і зі збільшенням кількості спостережень систем, подібних до AT2018fyk, вона має дати уявлення про фізику подій часткового приливного руйнування та екстремальні умови навколо надмасивних чорних дір.

"У цьому дослідженні викладено методологію, що дає змогу потенційно передбачити наступний час перекусу надмасивних чорних дір у зовнішніх галактиках", - каже Пашам. "Якщо замислитися, то доволі чудово, що ми на Землі можемо спрямувати наші телескопи на чорні діри, які перебувають на відстані мільйонів світлових років, щоб зрозуміти, як вони харчуються та зростають".

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.