Космический перекус: почему черные дыры заставляют звезды вспыхивать все тусклее

Некоторым звездам удается пережить встречу со сверхмассивной черной дырой и «рассказать об этом». Новое исследование объясняет, почему вспышки, вызванные такими сближениями, тускнеют при повторных эпизодах. Причина может крыться в том, как вращаются эти звезды, и в сбежавшем партнере по двойной системе, который оставляет звезду на роль «звездной закуски» для черной дыры.

Некоторым звездам не везет: они сталкиваются со сверхмассивными черными дырами, которые находятся в центре каждой галактики, и подвергаются колоссальным приливным силам, превращающим их в нити звездного «спагетти». Этот процесс называется «спагеттификацией». Плазменная «паста» оборачивается вокруг черной дыры и постепенно поглощается ею, а часть бывшего звездного вещества выбрасывается в виде джетов, летящих почти со скоростью света. Такие события называются приливными разрушениями (TDE).

Однако другие звезды получают отсрочку: они проходят достаточно близко к сверхмассивной черной дыре, чтобы космический титан «откусил» от них кусок и сорвал часть материала, но недостаточно близко, чтобы быть полностью уничтоженными. По мере вращения звезды вокруг черной дыры та делает повторные «укусы». Такое звездное «перекусывание» называется повторяющимся частичным приливным разрушением (rpTDE).

Каждый такой инцидент вызывает вспышку света вблизи черной дыры, как и ожидается при стандартном TDE. Но в rpTDE проявилась странная закономерность: каждая последующая вспышка может становиться тусклее. Ученые долго не могли объяснить это затухание, но наконец команда исследователей из Сиракузского университета, возможно, разгадала эту загадку.

Чтобы найти ответ, команда рассмотрела фактор, который раньше не принимался во внимание: вращение самой звезды. Этот элемент объяснил затухание вспышек черной дыры и помог понять, почему не все rpTDE протекают одинаково.

«Мы ломали над этим голову два года», — сказал руководитель команды Ананья Бандопадхьяй из Сиракузского университета.

Новый взгляд на звездные перекусы

Бандопадхьяй и его коллеги ранее установили, что количество материала, которое звезда теряет во время повторяющихся эпизодов rpTDE, частично зависит от ее внутренней структуры, которая, в свою очередь, зависит от массы.

Бандопадхьяй сравнивает звезду малой массы с воздушным безе, что делает ее более подверженной приливным силам черной дыры и позволяет отрывать больше материала из более глубоких слоев звезды.

В отличие от этого, звезда большой массы имеет структуру, больше похожую на луковицу. Это означает, что когда такое небесное тело пролетает рядом с черной дырой в rpTDE, его внешние слои срываются, но ядро сопротивляется влиянию черной дыры. Таким образом, по мере того как внешний слой «обстругивается», в последующих эпизодах материала для отрыва становится все меньше.

Однако одно это не может полностью объяснить затухание вспышек у четырех из десяти обнаруженных на сегодня rpTDE — из-за влияния, которое черная дыра оказывает на звезду при сближении.

Предыдущая работа команды показала, что во время rpTDE сверхмассивные черные дыры создают вращающий момент, который заставляет звезду вращаться быстрее при каждом проходе.

Это означает, что даже если при каждом сближении в черную дыру падает меньше материала, звезда возвращается через все более короткие промежутки времени. Это помогает поддерживать постоянную яркость вспышек. Значит, для объяснения затухания нужен новый ингредиент.

Бандопадхьяй определил, что этим элементом может быть звезда, которая уже быстро вращалась до своей первой встречи со сверхмассивной черной дырой.

Если звезда уже быстро вращается при первой встрече с черной дырой, испытываемый вращающий момент не сильно увеличивает это вращение. А без увеличения вращения не происходит сокращения периодов между эпизодами, и уменьшение количества срываемого материала приводит к затуханию вспышек.

Разумеется, остается вопрос: почему звезда вообще так быстро вращается?

Звезды-изгои могут быть ответом

Ключ к этой тайне может лежать в том, что большинство звезд не обращаются вокруг центров своих галактик, где обитают сверхмассивные черные дыры, в одиночку — они существуют в двойных системах.

«Также чрезвычайно трудно "привязать" звезду к сверхмассивной черной дыре настолько крепко, чтобы она обращалась вокруг нее за считанные месяцы, и все же в rpTDE это, похоже, происходит», — отметил член команды Эрик Кофлин из Сиракузского университета.

Потеря звезды-партнера может привести к тому, что звездное тело окажется настолько тесно связанным со сверхмассивной черной дырой, что будет совершать полный оборот раз в несколько месяцев.

Во время процесса, называемого захватом Хиллса, когда звездная пара обращается вокруг сверхмассивной черной дыры, гравитационное влияние черной дыры разрывает двойную систему, выбрасывая одну звезду и захватывая другую.

Если эта звездная пара была особенно тесной, со звездами, близко вращающимися друг вокруг друга, процесс выброса и захвата мог оставить захваченную звезду быстро вращающейся на тесной орбите.

«Эта работа показывает, что каждая из этих особенностей может быть объяснена одним и тем же базовым явлением: приливным разрушением двойной системы и захватом одной из звезд, — сказал Кофлин. — С теоретической точки зрения это крупный шаг вперед в нашем понимании физики, действующей в этих системах».

Открытие может иметь значение и для нашей галактики. Хотя сверхмассивная черная дыра Млечного Пути — Стрелец A* (Sgr A*) — в настоящее время не участвует в rpTDE, вокруг нее обращается множество быстрых звезд. Эти выводы могут объяснить, как они там оказались.

Танец на краю гибели: что говорят вспышки о жизни звезд

Повторяющиеся частичные приливные разрушения — редчайшие события, обнаруженные лишь у десяти сверхмассивных черных дыр. Каждое из них — природная лаборатория, позволяющая астрофизикам изучать экстремальную физику: поведение вещества в сильнейших гравитационных полях, динамику звездных орбит и процессы аккреции.

Новая работа добавляет в эту картину важный элемент — вращение. Оказывается, судьба звезды, попавшей в гравитационные сети черной дыры, зависит не только от ее массы и структуры, но и от того, насколько быстро она крутилась до встречи. Это открытие подчеркивает сложность взаимодействий в центрах галактик, где двойные звезды разрываются, одиночки выбрасываются в межзвездное пространство, а захваченные «счастливчики» обречены на медленное поедание.

Для Млечного Пути эта теория предлагает изящное объяснение присутствия быстро вращающихся звезд вблизи Стрельца A*. Многие из них, вероятно, — выжившие партнеры разрушенных двойных систем, которым удалось избежать поглощения, но не влияния черной дыры.

История звезд-«перекусов» напоминает: даже самые жестокие силы Вселенной подчиняются законам, которые можно понять. И каждый новый разгаданный механизм приближает нас к пониманию того, как устроена жизнь — и смерть — в окрестностях космических титанов.

Источники: исследование Сиракузского университета, заявления Ананьи Бандопадхьяя и Эрика Кофлина, материалы Syracuse University.