Команда физиков разработала модель, отображающую удивительную орбиту звезды вокруг сверхмассивной черной дыры

Когда звезда измельчается, ее остатки превращаются в поток обломков, которые падают обратно на черную дыру, образуя очень горячий и очень яркий аккреционный диск, вращающийся вокруг черной дыры. Это явление, когда звезда разрушается сверхмассивной черной дырой и вызывает светящуюся аккреционную вспышку, известно как событие приливного разрушения (СПР), и предсказывается, что оно происходит примерно раз в 10 000–100 000 лет в данной галактике.

При светимости, превышающей целые галактики (то есть в миллиарды раз ярче нашего Солнца) в течение коротких периодов времени (от месяцев до лет), события аккреции позволяют астрофизикам изучать сверхмассивные черные дыры (СМЧД) с космологических расстояний, открывая окно в центральные области спящих галактик. Исследуя явления сильной гравитации, где общая теория относительности Эйнштейна имеет решающее значение для определения поведения материи, события приливного разрушения дают информацию об одной из самых экстремальных сред во Вселенной: горизонте событий (точке невозврата) черной дыры.

Событие приливного разрушения, как правило, «раз и готово», потому что экстремальное гравитационное поле сверхмассивной черной дыры разрушает звезду, то есть сверхмассивная черная дыра снова исчезает во тьме после аккреционной вспышки. Но в некоторых случаях ядро звезды с высокой плотностью может выдержать гравитационное взаимодействие с сверхмассивной черной дырой, что позволяет ей более одного раза вращаться вокруг черной дыры. Исследователи называют это повторяющимся частичным СПР.

Группа физиков, включая ведущего автора Томаса Веверса, сотрудника Европейской южной обсерватории, и соавторов Эрика Кофлина, доцента физики Сиракузского университета, и Дираджа Р. "DJ" Пашама, научного сотрудника Института астрофизики и космических исследований имени Кавли Массачусетского технологического института, предложила модель повторяющегося частичного СПР. Их выводы, опубликованные в Astrophysical Journal Letters, описывают захват звезды СМЧД, отбор материала каждый раз, когда звезда приближается к черной дыре, и задержку между моментом отбора материала и моментом, когда он снова поступает в черную дыру. Работа команды стала первой, в которой разработана и используется подробная модель повторяющегося частичного СПР для объяснения наблюдений, предсказания орбитальных свойств звезды в далекой галактике и понимания процесса частичного приливного разрушения.

Команда изучает СПР, известное как AT2018fyk (AT означает Astrophysical Transient). Звезда была захвачена сверхмассивной черной дырой в результате процесса обмена, когда звезда изначально была частью двойной системы (две звезды, вращающиеся вокруг друг друга под действием взаимного гравитационного притяжения), которая была разорвана на части гравитационным полем черной дыры. Другая (незахваченная) звезда была выброшена из центра галактики со скоростью, сравнимой с ~1000 км/с, и известна как гиперскоростная звезда.

Когда-то связанная с сверхмассивной черной дырой, звезда, дающая энергию для излучения AT2018fyk, неоднократно сбрасывала внешнюю оболочку каждый раз, когда проходила через точку наибольшего сближения с черной дырой. Внешние слои звезды образуют яркий аккреционный диск, который исследователи могут изучать с помощью рентгеновских и ультрафиолетовых/оптических телескопов, которые наблюдают за светом далеких галактик.

По словам Веверса, возможность изучения частичного СПР дает беспрецедентное понимание существования сверхмассивных черных дыр и орбитальной динамики звезд в центрах галактик.

«До сих пор предполагалось, что когда мы увидим последствия близкого столкновения звезды и сверхмассивной черной дыры, исход будет фатальным для звезды, то есть звезда будет полностью уничтожена», — говорит он. «Но в отличие от всех других известных нам TDE, когда мы снова направили телескопы на то же место несколько лет спустя, то обнаружили, что оно снова стало ярче. Это позволило нам предположить, что часть звезды не погибла, а выжила после первой встречи и вернулась в то же место, чтобы еще раз очиститься от материала, что объясняет фазу повторного свечения».

Жить, чтобы умереть в другой день

Впервые обнаруженное в 2018 году, AT2018fyk изначально воспринималось как обычное СПР. В течение примерно 600 дней источник оставался ярким в рентгеновском излучении, но затем внезапно потемнел и стал незаметным — результат возвращения звездного остатка в черную дыру.

«Когда ядро возвращается в черную дыру, оно, по сути, крадет весь газ из черной дыры под действием гравитации, и в результате не происходит аккреции материи, и система становится темной», — говорит Пашам.

Не сразу было ясно, что вызвало резкое снижение светимости AT2018fyk, потому что СПР обычно затухают плавно и постепенно, а не резко, в своем излучении. Но примерно через 600 дней после падения источник снова оказался рентгеновски ярким. Это побудило исследователей предположить, что звезда впервые пережила близкое столкновение со сверхмассивной черной дырой и находилась на орбите вокруг черной дыры.

Используя подробное моделирование, результаты команды показывают, что период обращения звезды вокруг черной дыры составляет примерно 1200 дней, и требуется около 600 дней для того, чтобы материал, сбрасываемый звездой, вернулся в черную дыру и начал аккрецировать. Их модель также ограничивала размер захваченной звезды, которая, по их мнению, была размером с Солнце. Что касается исходной двойной системы, команда считает, что две звезды были очень близки друг к другу, прежде чем их разорвала черная дыра, вращаясь вокруг друг друга каждые несколько дней.

Так как же звезда могла пережить столкновение со смертью? Все сводится к вопросу близости и траектории. Если бы звезда столкнулась с черной дырой и пересекла горизонт событий — порог, при котором 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, чем гравитационная сила, которая удерживает звезду вместе, — она была бы уничтожена. В предложенной ими модели орбита звезды достигает точки наибольшего сближения, которая находится сразу за пределами приливного радиуса, но не пересекает его полностью: часть материала на поверхности звезды удаляется черной дырой, но материал в центре остается неповрежденным.

Повторное выступление?

Как (или если) процесс вращения звезды вокруг сверхмассивной черной дыры может происходить в течение многих повторяющихся проходов, является теоретическим вопросом, который команда планирует исследовать с помощью будущих симуляций. Физик из Сиракуз Эрик Кафлин объясняет, что, 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 СПР.

«Если потеря массы составляет всего 1%, то ожидаем, что звезда выживет еще много раз, тогда как если она ближе к 10%, звезда, возможно, уже уничтожена», — отмечает Кафлин.

Будущее исследований события приливного разрушения

В ближайшие годы команда будет смотреть в небо, чтобы проверить свои прогнозы. Основываясь на своей модели, они прогнозируют, что источник резко исчезнет примерно в марте 2023 года и снова станет ярче, когда в 2025 году свежесобранный материал аккрецирует на черную дыру.

Команда говорит, что их исследование предлагает новый способ отслеживания и мониторинга последующих источников, которые были обнаружены в прошлом. Работа также предлагает новую парадигму происхождения повторяющихся вспышек в центрах внешних галактик.

«В будущем, вероятно, будет проверено больше систем на наличие поздних вспышек, особенно сейчас, когда этот проект выдвигает теоретическую картину захвата звезды посредством процесса динамического обмена и последующего повторяющегося частичного приливного разрушения». говорит Кафлин. «Мы надеемся, что эту модель можно будет использовать для вывода о свойствах далеких сверхмассивных черных дыр и понимания их «демографии», то есть количества черных дыр в заданном диапазоне масс, что иначе трудно получить напрямую».

Команда говорит, что модель также делает несколько проверяемых прогнозов о процессе приливного разрушения, и с учетом большего количества наблюдений за такими системами, как AT2018fyk, она должна дать представление о физике событий частичного приливного разрушения и экстремальных условиях вокруг сверхмассивных черных дыр.

«Это исследование описывает методологию потенциального предсказания следующего времени перекуса сверхмассивными черными дырами во внешних галактиках», — говорит Пашам. «Если подумать, то весьма примечательно, что мы на Земле можем направить телескопы на черные дыры за миллионы световых лет от нас, чтобы понять, как они питаются и растут».