Тихий уход гиганта: астрономы впервые увидели, как звезда превращается в черную дыру без взрыва

Астрономы, возможно, стали свидетелями рождения новой черной дыры в соседней галактике — это один из самых ясных на сегодняшний день примеров того, как некоторые звезды бесшумно проваливаются в космическую бездну, обходясь без привычных фейерверков сверхновой.

Изучая архивные данные миссии NASA NEOWISE, команда под руководством астронома Кишалая Де из Колумбийского университета обнаружила, что одна из ярчайших звезд в галактике Андромеды загадочным образом разгорелась более десяти лет назад, затем резко потускнела и попросту исчезла из виду. Звезда, обозначенная как M31-2014-DS1, находится в 2,5 миллиона световых лет от Земли и имеет массу всего в 13 масс Солнца. По меркам стандартных представлений о черных дырах, это «легковес», утверждают Де и его коллеги.

«Такие наблюдения наконец-то начинают менять устоявшуюся парадигму, согласно которой в черные дыры превращаются только очень массивные звезды», — рассказал Де.

Если это открытие подтвердится, добавил он, «это будет означать, что черных дыр во Вселенной гораздо больше, чем мы предполагали до сих пор».

Бетельгейзе, которая погасла

До своего исчезновения звезда сияла примерно в 100 000 раз ярче Солнца. Де сравнивает ее значимость с Бетельгейзе — хорошо изученным красным сверхгигантом, украшающим правое плечо Ориона.

Если бы Бетельгейзе угасла на небе за несколько лет, говорит Де, «это было бы по-настоящему шокирующим и тревожным событием для нас на Земле, потому что внезапно Орион перестал бы выглядеть привычно».

Впервые команда заметила необычное поведение M31-2014-DS1 в данных NEOWISE. Согласно новой статье, около 2014 года звезда вспыхнула в инфракрасном диапазоне, затем, начиная с 2016 года, стала стремительно тускнеть, а к 2023-му фактически исчезла — ее яркость упала в 10 000 раз.

Де вспоминает, как сидел за компьютером в обсерватории Кека на Гавайях в 2023 году, собирая дополнительные данные о звезде, когда заметил нестыковку.

«Я помню тот момент, когда мы навели телескоп на эту звезду — но звезды там не было вовсе», — рассказывает он. Дополнительные наблюдения с помощью телескопа «Хаббл» и других наземных обсерваторий подтвердили: звезда действительно исчезла. «Тогда пазл сошелся, — говорит Де. — Звезды такой яркости и массы просто так не исчезают во тьме».

Согласно господствующей теории, черные дыры образуются, когда массивные звезды исчерпывают ядерное топливо, что запускает взрыв сверхновой, разбрасывающий внешние слои звезды в пространство и оставляющий после себя либо плотную нейтронную звезду, либо черную дыру. M31-2014-DS1, однако, судя по всему, сформировала черную дыру без каких-либо фейерверков.

«Десять лет назад, если бы кто-то сказал, что звезда массой в 13 солнц превратится в черную дыру, никто бы не поверил, — говорит Де. — Это было совершенно за пределами нормы».

Водоворот в космическом сливе

Де и его коллеги подозревают, что маленькое, плотно упакованное ядро M31-2014-DS1 коллапсировало в черную дыру всего за несколько часов. То, что астрономы до сих пор видят — это не сама звезда, а слабое инфракрасное свечение от остатков пыли и газа, кружащихся вокруг новорожденной черной дыры.

Этот материал движется слишком быстро, чтобы упасть внутрь напрямую, объясняет Де; вместо этого он формирует вращающийся диск, который медленно питает черную дыру — подобно воде, кружащейся над сливом в ванне, прежде чем уйти вниз. В ближайшие десятилетия инфракрасный сигнал будет неуклонно угасать по мере того, как всё больше остатков будет закручиваться по спирали внутрь и исчезать.

Поскольку галактика Андромеды относительно близка в космических масштабах, угасающие остатки должны оставаться видимыми для мощных обсерваторий, таких как «Джеймс Уэбб» (JWST), отмечает Де. Однако напрямую запечатлеть саму черную дыру — как это сделал Телескоп горизонта событий с гораздо более крупными черными дырами — в данном случае невозможно, по крайней мере с современными технологиями, из-за крошечных размеров объекта.

В прошлом году команда собрала дополнительные данные с помощью JWST. Мощное инфракрасное зрение телескопа показало, что черная дыра по-прежнему плотно окутана внешним материалом звезды, согласно препринту, опубликованному на arXiv 9 января.

В поисках рентгена

Чтобы дополнительно проверить свой вывод, исследователи также использовали рентгеновскую обсерваторию NASA «Чандра» в поисках высокоэнергетического излучения, ожидаемого от горячего газа вблизи черной дыры. Рентгеновские лучи не были обнаружены, но это ожидаемо, пояснил Де, поскольку окружающий газ в настоящее время слишком плотный, чтобы позволить излучению вырваться в космос.

Со временем, по мере падения материала внутрь и постепенного прояснения среды, Де ожидает, что телескопы в конечном итоге смогут зафиксировать рентгеновские лучи, «выходящие из этого беспорядка, который существует сейчас», что, возможно, позволит более прямо обнаружить черную дыру.

Новая дорожная карта для охоты

Это открытие также предлагает новую стратегию для поиска подобных событий, считают исследователи. Вместо кропотливого мониторинга миллиардов звезд в соседних галактиках в поисках внезапно исчезнувших, астрономы могут искать кратковременные инфракрасные вспышки — возможные предупредительные сигналы того, что звезда вот-вот подвергнется тихому коллапсу, как M31-2014-DS1.

«Это, по сути, максимально близкое, что мы можем получить, к наблюдению смерти массивной звезды, — говорит Де. — В конечном счете, я думаю, это учит нас гораздо большему физике звезд именно благодаря отсутствию взрыва».

Исследование, посвященное этой звезде, было опубликовано в четверг (12 февраля) в журнале Science.