Чёрные дыры снова и снова разрывают одни и те же звёзды — и те выживают. Учёные нашли объяснение

Астрофизики из Сиракузского университета предложили объяснение давней загадке повторяющихся вспышек у сверхмассивных чёрных дыр: виной всему — быстрое вращение звезды ещё до её первого сближения с чёрной дырой.

Считается, что в центре большинства галактик находится сверхмассивная чёрная дыра. Эти колоссальные объекты могут весить в миллионы или даже миллиарды раз больше Солнца, создавая одни из самых мощных гравитационных полей во Вселенной.

Когда звезда опасно приближается к такой дыре, разрушение наступает не всегда мгновенно. Некоторые светила переживают встречу и возвращаются снова, каждый раз порождая новую вспышку света.

Такие события называют повторяющимися частичными приливными разрушениями (rpTDE). Они позволяют астрономам наблюдать, как одна и та же звезда многократно взаимодействует с одной и той же чёрной дырой. Возможность следить за ними дают обзорные телескопы, которые сканируют большие участки неба и отслеживают объекты с меняющейся яркостью.

Однако часть таких систем поставила исследователей в тупик: вместо похожих вспышек при каждом возвращении звезда становилась всё тусклее. Долгие годы теоретические модели не могли воспроизвести это поведение.

Новая работа астрофизиков из Сиракузского университета предполагает, что разгадка кроется в недооценённом ранее свойстве звезды — скорости её вращения до первого сближения с чёрной дырой. Исследование опубликовано в журнале The Astrophysical Journal. Его возглавил аспирант Ананья Бандопадхьяй, работавший вместе с постдоком Бенджамином Амендом и доцентом Эриком Коглином из кафедры физики, а также коллегами из других институтов.

Как чёрные дыры разрывают звёзды

В классическом событии приливного разрушения (TDE) гравитация чёрной дыры настолько сильно различается между сторонами близкой звезды, что полностью разрывает её на части.

Образовавшиеся обломки начинают падать на чёрную дыру, или, как говорят астрономы, «аккрецировать». Потеря энергии этим веществом порождает свечение, которое длится от нескольких дней до месяцев.

Сами чёрные дыры свет не излучают, но TDE временно снабжает их материалом, способным осветить окрестности. Это свечение даёт астрономам косвенный способ изучать объекты, которые иначе остались бы невидимыми.

Не каждая встреча заканчивается полным уничтожением звезды. Если она проходит достаточно близко, но не пересекает порог полного разрушения, то теряет лишь часть массы — происходит частичное TDE. При повторяющемся частичном разрушении уцелевшее ядро звезды продолжает обращаться вокруг чёрной дыры и возвращается для новых сближений, каждый раз теряя дополнительное вещество. Такие проходы могут разделять месяцы или даже годы.

Почему вспышки чёрных дыр постепенно гаснут

Количество материала, срываемого со звезды при повторных встречах, частично зависит от её внутреннего строения. Бандопадхьяй сравнивает маломассивную звезду с пышным безе: она становится всё более уязвимой для приливных сил чёрной дыры.

Звезда большей массы ведёт себя иначе. Её вещество сильнее сконцентрировано к центру, а внутренности напоминают луковицу. Такое светило может терять внешние слои, тогда как плотное ядро почти не меняется, поэтому масса, теряемая при каждой новой встрече, со временем уменьшается.

Эти структурные различия помогают объяснить, почему не все rpTDE развиваются одинаково. Но одно наблюдение оставалось особенно трудным: из примерно десяти известных повторяющихся систем в четырёх вспышки становились всё слабее.

Казалось бы, логично предположить, что меньшее количество сорванного вещества даёт более слабые вспышки. Однако предыдущие гидродинамические модели выявили сложность: даже когда звезда теряла меньше материала при каждом проходе, расчёты всё равно предсказывали вспышки примерно одинаковой пиковой яркости.

«Мы ломали голову над этим два года», — признаётся Бандопадхьяй.

В предыдущих работах команда обнаружила ещё одно важное следствие приливных сил: помимо отрыва вещества, они создают крутящий момент, заставляя звезду вращаться быстрее после каждого сближения.

Усиленное вращение меняет скорость возвращения сорванного материала к чёрной дыре. Хотя вещества возвращается меньше, оно делает это за более короткий промежуток времени. Более концентрированный поток помогает сохранить схожую пиковую скорость падения, а значит, и примерно одинаковую предсказанную яркость вспышки.

Быстро вращающаяся звезда меняет картину

Чтобы воспроизвести реально наблюдаемые угасающие вспышки, исследователям понадобился, по словам Бандопадхьяя, «новый ингредиент»: звезда, которая вращалась быстро ещё до первой встречи с чёрной дырой.

Новые симуляции показывают: такую звезду уже невозможно сильно раскрутить при последующих проходах. Без значительного увеличения скорости вращения время падения сорванного вещества обратно к чёрной дыре остаётся относительно стабильным.

Это меняет итог. Поскольку со звезды срывается всё меньше материала, пиковая скорость падения тоже снижается. Вспышка становится тусклее с каждой встречей — ровно то, что видят астрономы.

Как звезда могла оказаться в плену

Находка порождает новый вопрос: почему звезда, приближающаяся к сверхмассивной чёрной дыре, уже вращается так быстро?

«Чрезвычайно сложно и „привязать» звезду к сверхмассивной чёрной дыре так тесно, чтобы она обращалась вокруг неё за считанные месяцы, — и всё же в rpTDE это, похоже, происходит», — отмечает Коглин.

Ответ может дать механизм Хиллса — процесс, объясняющий и быстрое вращение, и необычно тесную орбиту звезды.

В этом сценарии две звезды, тесно обращающиеся друг вокруг друга, приближаются к сверхмассивной чёрной дыре. Гравитация дыры разрывает двойную систему: одна звезда выбрасывается прочь, а вторая захватывается на орбиту вокруг чёрной дыры.

Звёзды в очень тесной двойной системе могут оказаться в приливном захвате: каждая из них вращается вокруг своей оси с той же скоростью, с которой пара обращается друг вокруг друга. Чем теснее двойная система, тем короче орбитальный период и тем быстрее должна вращаться звезда.

Чтобы оставить захваченную звезду на короткой орбите, характерной для rpTDE, исходная двойная система должна быть крайне компактной. Та же тесная конфигурация естественным образом даёт быстро вращающуюся приливно-захваченную звезду ещё до её захвата чёрной дырой.

«Работа Ананьи показывает, что каждая из этих особенностей объясняется одним и тем же базовым явлением: приливным разрушением двойной системы и захватом одной из звёзд, — говорит Коглин. — С теоретической точки зрения это крупный шаг вперёд в понимании физики этих систем».

Возможная связь с Млечным Путём

Выводы могут выходить далеко за пределы далёких повторяющихся вспышек. Коглин отмечает, что захват по механизму Хиллса может объяснять и происхождение некоторых звёзд, ныне обращающихся вокруг Стрельца A* — сверхмассивной чёрной дыры в центре Млечного Пути.

Если так, тот же механизм, объясняющий угасающие rpTDE-вспышки, поможет астрономам понять необычные звёздные популяции вокруг чёрной дыры в том, что Коглин называет «нашим собственным космологическим двором».