Ученые анализируют последствия столкновения между звездой и сверхмассивной черной дырой

В сотнях миллионов световых лет от нас в далекой галактике звезда, вращающаяся вокруг сверхмассивной черной дыры, насильственно разрывается на части под огромным гравитационным притяжением черной дыры, сообщает «Еurekalert.org».

По мере того, как звезда измельчается, ее остатки превращаются в поток обломков, который дождем возвращается на черную дыру, образуя очень горячий, очень яркий диск материала, вращающийся вокруг черной дыры, называемый аккреционным диском.

Это явление, когда звезда разрушается сверхмассивной черной дырой и подпитывает светящуюся аккреционную вспышку, известно как событие приливного разрушения (TDE), и прогнозируется, что TDE происходят примерно раз в 10 000-100 000 лет в данной галактике.

Поскольку светимости превышают целые галактики (то есть в миллиарды раз ярче нашего Солнца) в течение коротких периодов времени (от месяцев до лет), аккреционные события позволяют астрофизикам изучать сверхмассивные черные дыры (SMBH) с космологических расстояний, обеспечивая окно в центральные области покоящихся или спящих галактик.

Исследуя эти события «сильной гравитации», где общая теория относительности Эйнштейна имеет решающее значение для определения того, как ведет себя материя, ТДЭ дают информацию об одной из самых экстремальных сред во Вселенной: горизонте событий — точке невозврата — черной дыры.

Наблюдая за этим, ученые пришли к выводу, что в некоторых случаях ядро звезды высокой плотности может пережить гравитационное взаимодействие с SMBH, что позволяет ей вращаться вокруг черной дыры более одного раза. Исследователи называют это повторяющимся частичным TDE.

Работа команды является первой, которая разработала и использовала подробную модель повторяющегося частичного TDE для объяснения наблюдений, прогнозирования орбитальных свойств звезды в далекой галактике и понимания процесса частичного приливного разрушения.

Звезда была захвачена SMBH посредством процесса обмена, известного как «Захват холмов», где звезда первоначально была частью двойной системы (две звезды, которые вращаются вокруг друг друга под взаимным гравитационным притяжением), которая была разорвана гравитационным полем черной дыры. Другая (не захваченная) звезда была выброшена из центра галактики со скоростью, сопоставимой с ~ 1000 км/с, которая известна как гиперскоростная звезда.

По словам астрономов, возможность изучения частичного TDE дает беспрецедентное представление о существовании сверхмассивных черных дыр и орбитальной динамике звезд в центрах галактик.

«До сих пор предполагалось, что, когда мы увидим последствия близкого столкновения между звездой и сверхмассивной черной дырой, результат будет фатальным для звезды, то есть звезда полностью разрушится. Но в отличие от всех других TDE, о которых мы знаем, когда мы снова направили наши телескопы в то же место несколько лет спустя, мы обнаружили, что она снова осветлилась. Это привело нас к предположению, что вместо того, чтобы быть фатальной, часть звезды пережила первоначальную встречу и вернулась в то же место, чтобы снова быть лишенной материала, объясняя фазу повторного осветления», - считает команда исследователей.

«Когда ядро возвращается в черную дыру, оно, по сути, крадет весь газ из черной дыры с помощью гравитации, и в результате нет никакой материи, которая накапливается, и, следовательно, система темнеет», — говорит один из авторов исследования.

Используя подробное моделирование, результаты команды показывают, что орбитальный период звезды вокруг черной дыры составляет примерно 1 200 дней, и требуется примерно 600 дней, чтобы материал, который выделяется из звезды, вернулся в черную дыру и начал аккрецировать. Их модель также ограничивала размер захваченной звезды, которая, по их мнению, была размером с Солнце. Что касается оригинальной двойной системы, команда считает, что две звезды были очень близки друг к другу, прежде чем были разорваны на части черной дырой, вероятно, вращаясь вокруг друг друга каждые несколько дней.

Так как же звезда могла пережить свою смерть? Все сводится к вопросу близости и траектории. Если бы звезда столкнулась лоб в лоб с черной дырой и прошла горизонт событий — порог, где скорость, необходимая для выхода из черной дыры, превышает скорость света — звезда была бы поглощена черной дырой. Если бы звезда прошла очень близко к черной дыре и пересекла так называемый «приливный радиус» — где приливная сила дыры сильнее гравитационной силы, которая удерживает звезду вместе — она была бы разрушена.

В предложенной учеными модели орбита звезды достигает точки наибольшего сближения, которая находится за пределами приливного радиуса, но не пересекает его полностью: часть материала на поверхности звезды удаляется черной дырой, но материал в ее центре остается нетронутым.

По их оценкам, от 1 до 10% массы звезды теряется каждый раз, когда она проходит мимо черной дыры, с большим диапазоном из-за неопределенности в моделировании излучения от TDE.

«Если потеря массы находится только на уровне 1%, то мы ожидаем, что звезда выживет для многих других встреч, тогда как если она ближе к 10%, звезда, возможно, уже была уничтожена», — отмечает астрономы.

Команда будет следить за небом в ближайшие годы, чтобы проверить свои прогнозы. Основываясь на своей модели, они прогнозируют, что источник внезапно исчезнет примерно в марте 2023 года и снова станет ярче, когда свежеизбранный материал аккрецируется в черную дыру в 2025 году.

«В этом исследовании изложена методология потенциального прогнозирования следующего времени перекуса сверхмассивных черных дыр во внешних галактиках», — считают ученые. «Если вы подумаете об этом, довольно примечательно, что мы на Земле можем нацелить наши телескопы на черные дыры в миллионах световых лет от нас, чтобы понять, как они питаются и растут».