Из-за вращения звезд вспышки черных дыр затухают

Фото из открытых источников

Некоторые звёзды сталкиваются со сверхмассивными чёрными дырами и остаются в живых. Новые исследования показывают, почему вспышки, вызываемые такими столкновениями, тускнеют при повторных встречах, и это может быть связано со способом вращения этих звёзд и с тем, что из двойной системы вырывается их партнёр, который становится лёгкой добычей для чёрной дыры. Результаты нового исследования были опубликованы в The Astrophysical Journal.

Некоторым звёздам не посчастливилось столкнуться со сверхмассивными чёрными дырами, расположенными в центре каждой галактики, и подвергнуться огромным приливным силам, которые превращают их в цепочку звёздных спагетти — процесс, называемый «спагеттификацией». Эта плазменная масса обволакивает чёрную дыру и постепенно подпитывает её, при этом часть бывшего звёздного вещества выбрасывается в виде струй, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Такие явления называются событиями приливного разрушения (TDE).

Однако другим звёздам предоставляется передышка: они проходят достаточно близко к сверхмассивной чёрной дыре, чтобы этот космический гигант мог откусить от неё кусочек и снять с неё материал, но недостаточно близко, чтобы быть полностью уничтоженными. По мере того, как звезда вращается вокруг сверхмассивной чёрной дыры, она совершает многократные «укусы», и это «звёздное поедание» называется повторяющимся частичным приливным разрушением (rpTDE).

Каждый инцидент вызывает вспышку света в окрестностях черной дыры, как и следовало ожидать, исходя из увеличения яркости, наблюдаемого во время стандартного TDE. Но в rpTDES выявилась странная закономерность: каждая последующая вспышка может становиться тусклее. Ученые долгое время пытались объяснить это затемнение, но, наконец, группа исследователей из Сиракузского университета, возможно, разгадала эту загадку.

Чтобы найти ответ на вопрос о затухании вспышек черных дыр, команда рассмотрела фактор, который ранее не принимался во внимание: вращение самой звезды. Этот элемент объяснил затухание вспышек черных дыр, а также помог объяснить, почему не все ретроперитонеальные приливные события протекают одинаково.

«Мы были озадачены этим два года», — заявила руководитель группы Ананья Бандопадхай из Сиракузского университета.

Ранее Бандопадхай с коллегами установили, что количество вещества, теряемого звездой во время повторяющихся эпизодов rpTDE, частично зависит от ее внутренней структуры, которая, в свою очередь, зависит от ее массы.

Бандопадхай сравнивает маломассивную звезду с пушистым безе, что делает ее более восприимчивой к приливным силам, создаваемым черной дырой, и позволяет вытягивать больше вещества из более глубоких слоев звезды.

В отличие от этого, массивная звезда имеет структуру, больше похожую на луковицу. Это означает, что когда такое звездное тело приближается к черной дыре в результате ретроградного приливного землетрясения (rpTDE), его внешние слои разрушаются, но ядро сопротивляется влиянию черной дыры. Таким образом, по мере разрушения внешнего слоя, в последующих эпизодах разрушается все меньше и меньше материала.

Однако это само по себе не может полностью объяснить ослабление вспышек в четырех из десяти обнаруженных на данный момент случаев rpTDE, из-за влияния черной дыры на звезду при ее прохождении.

В ходе предыдущих исследований команда установила, что во время rpTDE сверхмассивные черные дыры оказывают крутящий момент на пролетающую звезду, заставляя ее вращаться быстрее при каждом прохождении.

Это означает, что, хотя при каждом прохождении к чёрной дыре падает всё меньше вещества, звезда возвращается за всё более короткие промежутки времени. Это помогает поддерживать постоянную яркость вспышек. Таким образом, для уменьшения яркости требуется новый ингредиент.

Бандопадхай определил, что этим элементом может быть звезда, которая уже быстро вращалась до первого столкновения со сверхмассивной чёрной дырой.

Если звезда уже быстро вращается при первом столкновении с чёрной дырой, то возникающий крутящий момент не сильно увеличивает это вращение. А без этого увеличения вращения не происходит сокращения периодов между эпизодами, а это значит, что всё меньшее количество отрываемого вещества будет приводить к потускнению.

Конечно, это порождает ещё один вопрос: зачем вообще звезде так быстро вращаться?

Возможно, ответ кроются в звездах-изгоях.

Ключ к этой загадке может заключаться в том, что большинство звезд не вращаются вокруг центров своих галактик, где находятся сверхмассивные черные дыры, поодиночке, а существуют в двойных системах.

«Также чрезвычайно сложно «связать» звезду со сверхмассивной черной дырой настолько прочно, чтобы она совершала оборот вокруг нее за несколько месяцев, и тем не менее, похоже, им это удается в rpTDE», — сказал соавтор исследования Эрик Кофлин из Сиракузского университета.

Потеря звезды-партнера может привести к тому, что звездное тело окажется прочно связанным со сверхмассивной черной дырой, совершая оборот раз в несколько месяцев.

На иллюстрации показана звезда, избегающая поглощения черной дырой, в то время как ее партнер по двойной системе поглощается ею.

В процессе, называемом захватом Хилла, когда двойная звёздная система вращается вокруг сверхмассивной чёрной дыры, гравитационное воздействие чёрной дыры разрывает систему на части, выбрасывая одну звезду и захватывая другую.

Если эта звёздная двойная система была особенно тесной, с звёздами, вращающимися очень близко друг к другу, то этот процесс выброса и захвата мог привести к тому, что захваченная звезда быстро вращалась бы по узкой орбите.

«Эта работа демонстрирует, что каждая из этих особенностей может быть объяснена одним и тем же лежащим в основе явлением: приливным разрушением двойной системы и захватом одной из звёзд», — сказал Кофлин. «С теоретической точки зрения, это важный шаг вперёд в нашем понимании физики, действующей в этих системах».

Открытие может иметь значение и в более близких к нам областях. Хотя сверхмассивная чёрная дыра Млечного Пути, Стрелец A* (Sgr A*), в настоящее время не участвует в rpTDE (приливно-деградационном разрушении), вокруг неё вращается множество быстро вращающихся звёзд. Эти результаты могут объяснить, как они там оказались.