Ось як це виглядає, коли чорна діра перекушує зіркою

Аналізуючи спостереження за спалахом рентгенівського випромінювання та узгоджуючи дані з теоретичними моделями, астрономи задокументували фатальну зустріч між зорею-невдахою та чорною дірою проміжної маси.

Про це розповідають в Аризонському університеті.

Хоча не схоже, щоб чорні діри та малюки мали багато чого спільного, та в одному аспекті вони надзвичайно схожі: ті та інші – брудні їдці, що створюють достатньо доказів того, що трапеза відбулася.

Але якщо один може залишити після себе розкидані макарони або бризки йогурту, інша створює наслідки приголомшливих масштабів. Коли чорна діра поглинає зорю, вона створює те, що астрономи називають "подією приливного руйнування". Подрібнення нещасної зорі супроводжується спалахом випромінювання, яке може затьмарити сумарне світло всіх зірок у галактиці-господарі чорної діри на місяці, навіть роки.

У статті, опублікованій у The Astrophysical Journal, група астрономів на чолі із Сісян Веном, дослідником-постдокторантом зі Стюардської обсерваторії Аризонського університету, використовувала рентгенівські промені, випромінювані подією приливного руйнування, відомої як J2150, для здійснення перших вимірів маси чорної діри та її спіну. Ця чорна діра належить до певного типу – до чорних дір проміжної маси, які довгий час уникали спостережень.

"Той факт, що нам вдалося зловити цю чорну діру, поки вона пожирала зорю, дає чудову можливість спостерігати те, що інакше залишалося б невидимим", - сказала Енн Заблудова, професор астрономії в Аризонському університеті та співавтор роботи. "Крім того, аналізуючи спалах, ми змогли краще зрозуміти цю невловну категорію чорних дір, які цілком можуть складати більшість чорних дір у центрах галактик".

Після повторного аналізу рентгенівських даних, що використовувалися для спостереження за спалахом J2150, та порівнявши їх зі складними теоретичними моделями, автори показали, що цей спалах дійсно походить від зіткнення нещасної зорі з чорною дірою проміжної маси. Проміжна чорна діра, про яку йдеться, має особливо малу масу для чорної діри, тобто – важить приблизно у 10 000 разів більше маси Сонця.

"Рентгенівське випромінювання з внутрішнього диска, утвореного уламками померлої зорі, дозволило нам зробити висновок про масу та спін цієї чорної діри та класифікувати її як проміжну чорну діру", - сказав Вен.

У центрах великих галактик, де розміщені надмасивні чорні діри, були помічені десятки подій приливного руйнування, а також небагато у центрах невеликих галактик, які можуть містити проміжні чорні діри. Однак минулі дані не були достатньо детальними, щоб довести, що окремий спалах приливного руйнування був викликаний проміжною чорною дірою.

"Завдяки сучасним астрономічним спостереженням ми знаємо, що в центрах майже всіх галактик, схожих або більших за розмірами за наш Чумацький Шлях, містяться надмасивні чорні діри", - каже співавтор дослідження Ніколас Стоун, старший викладач Єврейського університету в Єрусалим. "Ці бегемоти мають розміри від 1 мільйону до 10 мільярдів мас нашого Сонця, й вони стають потужними джерелами електромагнітного випромінювання, коли надто багато міжзоряного газу потрапляє в їхні околиці".

Маса цих чорних дір тісно корелює з загальною масою їх галактик-господарів; найбільші галактики містять найбільші надмасивні чорні діри.

"Ми все ще дуже мало знаємо про існування чорних дір у центрах галактик, менших за Чумацький Шлях", - сказав співавтор Петер Йонкер з Університету Радбуда та Нідерландського інституту космічних досліджень SRON, обидва в Нідерландах. "Через обмеження спостережень складно виявити центральні чорні діри, які значно менші за 1 млн сонячних мас".

Попри їх передбачуваний достаток, походження надмасивних чорних дір залишається невідомим, й багато різних теорій у цей час змагаються за їх пояснення, за словами Джонкера. Чорні діри проміжної маси можуть бути насінням, з якого виростають надмасивні чорні діри.

"Тому, якщо ми краще зрозуміємо, скільки існує справжніх проміжних чорних дір, це може допомогти визначити, які теорії утворення надмасивних чорних дір є правильними", - сказав він.

Ще більш захопливим, на думку Енн Заблудової, є вимірювання спіну J2150, яке група змогла отримати. Вимірювання спіну дає ключ до розгадки того, як зростають чорні діри, і, можливо, до фізики частинок.

Коли зоря підходить занадто близько до чорної діри, гравітаційні сили створюють інтенсивні приливи, які розривають зорю на потік газу, що призводить до катаклізму, відомого як подія приливного руйнування. Вивільняється величезна кількість енергії, у результаті чого приливне руйнування у деяких випадках світить яскравіше всієї галактики. Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center/Chris Smith (USRA/GESTAR)

Ця чорна діра має швидкий спін, але не найшвидший з можливих спінів, пояснила Заблудова, з чого виникає питання про те, як чорна діра опинилася зі спіном у цьому діапазоні.

"Цілком можливо, що чорна діра утворилася таким чином та відтоді не сильно змінилася, або що дві чорні діри проміжної маси нещодавно об′єдналися, щоб утворити цю", - сказала вона. "Ми знаємо, що виміряний спін виключає сценарії, за якими чорна діра протягом тривалого часу зростає від постійного споживання газу або від багатьох швидких перекусів газом, що надходить з випадкових напрямків".

Крім того, вимірювання спіну дозволяє астрофізикам перевірити гіпотези про природу темної матерії, яка, як вважається, становить більшу частину матерії у Всесвіті. Темна матерія може складатися з невідомих елементарних частинок, які ще не були помічені в лабораторних експериментах. Серед кандидатів є гіпотетичні частинки, відомі як надлегкі бозони, пояснив Стоун.

"Якщо ці частинки існують і мають масу в певному діапазоні, вони запобігатимуть швидкому обертанню чорної діри проміжної маси", - сказав він. "Однак чорна діра J2150 швидко обертається. Таким чином наше вимірювання спіну виключає широкий клас теорій надлегких бозонів, демонструючи цінність чорних дір як позаземних лабораторій з фізики частинок".

У майбутньому нові спостереження за спалахами приливних руйнувань можуть дозволити астрономам заповнити прогалини в розподілі мас чорних дір, сподіваються автори.

"Якщо виявиться, що більшість карликових галактик містять чорні діри проміжної маси, то вони будуть домінувати у швидкості зоряного приливного руйнування", - сказав Стоун. "Підлаштовуючи рентгенівське випромінювання від цих спалахів до теоретичних моделей, ми можемо провести перепис популяції чорних дір проміжної маси у Всесвіті", - додав Вен.

Однак для цього необхідно спостерігати більше приливних руйнувань. Ось чому астрономи покладають великі надії на нові телескопи, які незабаром з’являться онлайн, як на Землі, так і в космосі, включаючи обсерваторію Віри К. Рубін, також відому як «Огляд спадщини космосу та часу», або LSST, яка, як очікується, відкриватиме тисячі подій приливного руйнування на рік.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.