Загадка затухающих вспышек: как звезды становятся закусками для черных дыр

В космосе, где царят черные дыры, некоторые звезды сталкиваются с супермагнитными черными дырами и, к счастью, не исчезают без следа. Новые исследования объясняют, почему вспышки, возникающие в результате этих столкновений, тускнеют с каждым новым эпизодом, и это связано с особенностями вращения звезд и их бинарными партнерами, которые оставляют их на произвол судьбы.

Спагеттификация и приливные разрушения

Некоторые звезды, оказавшись вблизи супермагнитных черных дыр, подвергаются колоссальным приливным силам, которые превращают их в «звездное спагетти» — процесс, известный как спагеттификация. В результате этого процесса звезды теряют массу, которая обвивается вокруг черной дыры и постепенно поглощается ею, в то время как часть вещества выбрасывается в виде струй, движущихся с почти световой скоростью. Эти явления называются приливными разрушениями (TDE). Однако есть и такие звезды, которым удается избежать полной гибели. Они проходят достаточно близко к черной дыре, чтобы та смогла «покусать» их и отобрать часть материала, но не настолько близко, чтобы быть полностью уничтоженными. Эти звезды, как правило, продолжают свои орбиты, подвергаясь повторяющимся «укусам» черной дыры, что и называется повторяющимся частичным приливным разрушением (rpTDE).

Уменьшение яркости вспышек

Каждый такой инцидент вызывает вспышку света вблизи черной дыры, аналогично тому, что наблюдается при стандартных TDE. Однако в случае rpTDE наблюдается странный феномен: каждая последующая вспышка становится тусклее. Ученые долго не могли объяснить это явление, но команда исследователей из Университета Сиракуз, возглавляемая Ананьей Бандопадхьяй, наконец, нашла ответ.

Влияние вращения звезды

Исследователи обратили внимание на фактор, который ранее не учитывался: вращение самой звезды. Это объяснение позволило прояснить, почему не все rpTDE протекают одинаково. Бандопадхьяй и ее коллеги выяснили, что количество материала, теряемого звездой во время повторяющихся rpTDE, зависит от ее внутренней структуры, которая, в свою очередь, определяется ее массой. Сравнивая звезды с низкой и высокой массой, Бандопадхьяй отметила, что звезда с низкой массой напоминает легкую меренгу, более подверженную приливным силам черной дыры, что позволяет ей терять больше материала. В то время как звезда с высокой массой имеет структуру, подобную луковице, и при rpTDE ее внешние слои срезаются, оставляя ядро, которое сопротивляется воздействию черной дыры. Таким образом, с каждым новым эпизодом остается все меньше материала для дальнейшего «перекуса».

Ускорение вращения и его последствия

Однако это объяснение не могло полностью охватить тусклость вспышек у четырех из десяти известных rpTDE, поскольку влияние черной дыры на звезду также имеет значение. Исследования показали, что во время rpTDE черные дыры оказывают крутящий момент на проходящую звезду, что приводит к ее ускорению при каждом проходе. Это означает, что, даже если меньше материала попадает в черную дыру, звезда возвращается на орбиту за все более короткие промежутки времени, что помогает поддерживать яркость вспышек. Для объяснения тусклости вспышек Бандопадхьяй добавила новый элемент: если звезда уже вращается быстро при первом столкновении с черной дырой, то крутящий момент не увеличивает скорость вращения значительно. В результате, без увеличения скорости вращения, промежутки между эпизодами не сокращаются, и тусклость вспышек становится очевидной.

Роль бинарных звезд

Вопрос о том, почему звезда может вращаться так быстро, может быть связан с тем, что большинство звезд не находятся в одиночном состоянии, а существуют в бинарных системах. Исследователи отметили, что очень трудно «привязать» звезду к супермагнитной черной дыре так, чтобы она вращалась вокруг нее за считанные месяцы, однако в случае rpTDE это происходит. Потеря партнерской звезды может привести к тому, что одна из звезд оказывается крепко связанной с черной дырой и завершает свою орбиту за несколько месяцев. Во время процесса, известного как захват Хилла, гравитационное влияние черной дыры разрывает бинарную систему, выбрасывая одну звезду и захватывая другую. Если бинарная система была особенно плотной, это может оставить захваченную звезду с высокой скоростью вращения на узкой орбите.

Значение для астрофизики

Работа команды демонстрирует, что все эти особенности можно объяснить одним и тем же явлением: приливным разрушением бинарной системы и захватом одной из звезд. Это открытие может иметь значение и для нашей галактики. Хотя супермагнитная черная дыра Млечного Пути, Стрелец A* (Sgr A*), в настоящее время не участвует в rpTDE, она окружена многими быстрыми звездами. Эти результаты могут объяснить, как они оказались в своих текущих орбитах. Исследование было опубликовано 18 августа в журнале The Astrophysical Journal.