Чорна діра регулярно від′їдає від зірки, відпускаючи її від себе

Фізики розробили модель, яка відображає дивовижну орбіту зірки навколо надмасивної чорної діри.

Про це розповідають в Сиракузькому університеті, передають OstanniPodii.com.

На відстані сотень мільйонів світлових років у далекій галактиці зірка, що обертається навколо надмасивної чорної діри, жорстоко розривається на частини під дією величезного гравітаційного тяжіння чорної діри. Коли зірка руйнується, її залишки перетворюються на потік уламків, які звалюються назад на чорну діру, утворюючи дуже гарячий та дуже яскравий диск матеріалу, що обертається навколо чорної діри, званий акреційним диском. Це явище, коли зірка знищується надмасивною чорною дірою й спричиняє яскравий акреційний спалах, відоме як подія приливного руйнування (TDE), і передбачено, що TDE відбуваються приблизно раз на 10 000-100 000 років у даній галактиці.

Події акреції, світність яких перевищує світність цілих галактик (тобто в мільярди разів яскравіше за наше Сонце) протягом коротких періодів часу (від кількох місяців до кількох років), дають астрофізикам змогу вивчати надмасивні чорні діри (SMBH) з космологічних відстаней, що дозволяє зазирнути у центральні ділянки галактик, які перебувають у стані спокою або бездіяльності. Досліджуючи ці сильні гравітаційні події, в яких загальна теорія відносності Ейнштейна має вирішальне значення для визначення поведінки матерії, TDE дають інформацію про одне з найбільш екстремальних середовищ у Всесвіті: горизонт подій - точку неповернення у чорної діри.

TDE зазвичай відбуваються "раз і готово", оскільки екстремальне гравітаційне поле SMBH знищує зірку, що означає, що SMBH зникає у темряві після спалаху акреції. У деяких випадках, однак, ядро зірки з високою щільністю може пережити гравітаційну взаємодію з SMBH, що дає їй змогу обертатися навколо чорної діри більше одного разу. Дослідники називають це повторюваним частковим TDE.

В опублікованій в "Astrophysical Journal Letters" статті група фізиків запропонувала модель повторюваної часткової TDE. Ця робота описує захоплення зірки SMBH, відбір матеріалу щоразу, коли зірка наближається до чорної діри, і затримку між моментом відбору матеріалу й моментом, коли він знову надходить у чорну діру. У роботі команди вперше розроблена й використовується детальна модель повторюваного часткового TDE для пояснення спостережень, передбачення орбітальних властивостей зірки в далекій галактиці та розуміння процесу часткового приливного руйнування.

Команда досліджує TDE, відому як AT2018fyk (AT означає "астрофізичний транзієнт"). Зірка була захоплена SMBH в результаті процесу обміну, відомого як "захоплення Хіллса", коли зірка спочатку була частиною бінарної системи (дві зірки, що обертаються одна навколо одної під взаємним гравітаційним тяжінням), яка була розірвана гравітаційним полем чорної діри. Інша (не захоплена) зірка була викинута з центру галактики зі швидкістю, порівнянною з ~1000 км/с, що відомо як гіпершвидкість зірки.

Оскільки пов′язана з SMBH, зірка, що забезпечує випромінювання AT2018fyk, неодноразово зривала свою зовнішню оболонку щоразу, коли проходила через точку найбільшого зближення з чорною дірою. Зняті зовнішні шари зірки утворюють яскравий акреційний диск, який дослідники можуть вивчати за допомогою рентгенівських і ультрафіолетових/оптичних телескопів, що спостерігають світло далеких галактик.

За словами провідного автора роботи Томаса Веверсома, співробітника Європейської південної обсерваторії, можливість вивчення часткового TDE дає безпрецедентне розуміння існування надмасивних чорних дір та орбітальної динаміки зірок у центрах галактик.

"Досі передбачалося, що коли ми бачимо наслідки тісного зіткнення зірки з надмасивною чорною дірою, результат буде фатальним для зірки, тобто зірку буде повністю знищено", - каже він. "Але на відміну від усіх інших відомих нам TDE, коли через кілька років ми знову спрямували телескопи на те саме місце, ми виявили, що зірка знову стала яскравішою. Це змусило нас припустити, що замість загибелі частина зірки пережила перше зіткнення і повернулася в те саме місце, щоб знову очиститися від матеріалу, що і пояснює фазу повторного посилення яскравості".

Жити, щоб померти в інший день

Вперше виявлений у 2018 році AT2018fyk спочатку був сприйнятий як звичайний TDE. Протягом приблизно 600 днів джерело залишалося яскравим у рентгенівському діапазоні, але потім різко потемніло й не було виявлено - результат повернення ядра зоряного залишку до чорної діри, пояснює співавтор роботи Дірадж Р. Пашам, науковий співробітник Інституту астрофізики та космічних досліджень імені Кавлі Массачусетського технологічного інституту.

"Коли ядро повертається до чорної діри, воно, по суті, забирає весь газ від чорної діри під дією гравітації, внаслідок чого речовина не може акреціювати, і система темнішає", - каже Пашам.

Не одразу було зрозуміло, що спричинило різке падіння світності AT2018fyk, оскільки TDE зазвичай плавно й поступово - не різко - затухають у своєму випромінюванні. Але приблизно через 600 днів після падіння джерело знову виявилося рентгенівськи яскравим. Це змусило дослідників припустити, що зірка пережила тісну зустріч із SMBH вперше й перебуває на орбіті навколо чорної діри.

За допомогою детального моделювання група дослідників встановила, що орбітальний період зірки навколо чорної діри становить приблизно 1200 днів, а для того, щоб матеріал, що скидається із зірки, повернувся до чорної діри й почав акреціювати, потрібно близько 600 днів. Їхня модель також дала змогу визначити розмір захопленої зірки, яка, на їхню думку, була розміром із Сонце. Що стосується первісної подвійної зірки, то, на думку команди, до того, як її розірвала чорна діра, вони перебували дуже близько одна до одної та, ймовірно, оберталися одна до одної по орбіті кожні кілька днів.

На цій ілюстрації зображено зірку (на передньому плані), що зазнає спагеттизації, коли її засмоктує надмасивна чорна діра (на задньому плані) під час "події приливного руйнування". 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 ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.