Звездные хроники: как «песни» красного гиганта раскрыли тайну слияния с черной дырой

Астрономы, используя космический телескоп TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) NASA, «услышали» космическую песню, которую красный гигант поет своему компаньону — черной дыре. Эта «песня», связанная с изученными TESS звездотрясениями, раскрыла бурное прошлое звезды, намекая на то, что она когда-то столкнулась и слилась с другой звездой.

Быстро вращающийся красный гигант — стадия, которую звезды размером с наше Солнце проходят, исчерпав термоядерное топливо, — обитает в двойной системе Gaia BH2. Расположенная примерно в 3800 световых годах от нас в созвездии Центавра, эта система была обнаружена звездным картографом Gaia Европейского космического агентства (ЕКА) в 2023 году.

Команда астрономов использовала TESS для наблюдения звездотрясений, рябью проходящих через красного гиганта в Gaia BH2. Подобно тому, как сейсмические волны помогают изучать недра Земли, астрофизики используют звездотрясения, чтобы заглянуть под поверхностные слои светил — вплоть до их ядер.

«Точно так же, как сейсмологи используют землетрясения для изучения внутреннего строения Земли, мы можем использовать звездные колебания, чтобы понять, что происходит внутри далеких звезд», — заявил в своем обращении руководитель группы Дэниел Хей, ученый из Института астрономии Гавайского университета (IfA). — «Эти вибрации рассказали нам кое-что неожиданное об истории этой звезды».

Красный гигант моложе, чем кажется

Хей и его коллеги были удивлены, когда детально изучили химический состав этого красного гиганта: он оказался богат тяжелыми элементами, или «альфа-элементами». Это характерно для более древних звезд. Однако звездотрясения, зафиксированные TESS, указывают, что звезде всего около 5 миллиардов лет.

Для контекста: нашему Солнцу 4,6 миллиарда лет, и оно достигнет фазы красного гиганта лишь через примерно 5 миллиардов лет, когда истощит запасы водорода в ядре.

«Молодые, богатые альфа-элементами звезды — явление довольно редкое и загадочное, — продолжил Хей. — Сочетание молодости и древнего химического состава говорит о том, что эта звезда эволюционировала не изолированно. Вероятно, она приобрела дополнительную массу от звезды-компаньона — либо в результате слияния, либо поглотив материал при формировании черной дыры».

Но это не единственная загадка, окружающая данного красного гиганта.

Наблюдения с помощью наземных инструментов показали, что звезда совершает один оборот вокруг своей оси за 398 земных дней — что намного быстрее, чем обычно вращаются изолированные красные гиганты сравнимого возраста. Такое быстрое вращение намекает на то, что в далеком прошлом она могла слиться с другой звездой или активно взаимодействовать с массивной звездой, чья гибель породила черную дыру-компаньона.

«Если это вращение реально, его нельзя объяснить лишь начальным моментом вращения звезды, — сказал в своем заявлении член команды Джоэл Онг, стипендиат программы NASA Hubble в IfA. — Звезда должна была быть «раскручена» приливными взаимодействиями со своим компаньоном, что еще больше подтверждает сложную историю этой системы».

Та же команда также исследовала другую систему с черной дырой, обнаруженную Gaia, — Gaia BH3, расположенную всего в 2000 световых годах от Земли. У звезды-компаньона в Gaia BH3 может быть еще более странная судьба, чем у красного гиганта в Gaia BH2.

Эта звезда бедна элементами тяжелее водорода и гелия, которые астрономы называют «металлами». Обычно звезды с низкой металличностью демонстрируют четкие колебания, но у бедной металлами звезды в Gaia BH3 их нет.

Изучение орбитального движения звезд в системах Gaia BH2 и Gaia BH3 может рассказать больше о двойных системах с черными дырами, которые в данный момент не активно поглощают вещество своих звезд-компаньонов.

Команда продолжит наблюдения за Gaia BH2 с помощью Gaia, надеясь лучше разглядеть ее звездотрясения. Это может помочь окончательно подтвердить прошлое слияние звезды с другим объектом.

Исследование команды было опубликовано 13 ноября в журнале The Astronomical Journal. Ученые полагают, что такие «немые» или аномально «громкие» звезды могут быть ключом к пониманию того, как гравитационные взаимодействия в экстремальных системах кардинально меняют судьбу и внутреннюю структуру светил, оставляя следы, которые мы только учимся расшифровывать.