Неудавшаяся сверхновая позволила получить самое четкое изображение звезды, коллапсирующей в черную дыру

Астрономы наблюдали за умирающей звездой, которая не взорвалась, превратившись в сверхновую, а вместо этого коллапсировала в черную дыру. Это удивительное явление — самое полное из когда-либо зафиксированных наблюдений за превращением звезды в черную дыру, которое позволило астрономам составить полную физическую картину этого процесса.

Сопоставив недавние наблюдения за звездой с архивными данными за более чем десять лет, астрономы подтвердили и усовершенствовали теоретические модели того, как такие массивные звезды превращаются в черные дыры. Команда исследователей обнаружила, что в конце своей жизни звезда не взорвалась как сверхновая, а ее ядро превратилось в черную дыру, при этом медленно выбрасывая внешние слои.

Это открытие поможет объяснить, почему одни массивные звезды после смерти превращаются в черные дыры, а другие — нет.

«Это только начало истории», — говорит Кишалай Де, младший научный сотрудник Института Флэтайрон при Фонде Саймонса и ведущий автор нового исследования.

По его словам, свет от пылевых обломков, окружающих новорожденную черную дыру, «будет виден в течение десятилетий при уровне чувствительности таких телескопов, как космический телескоп «Джеймс Уэбб», потому что он будет очень медленно угасать. И это может стать отправной точкой для понимания того, как во Вселенной формируются звездные черные дыры».

Исчезающий гигант в созвездии Андромеды

Погасшая звезда под названием M31-2014-DS1 находится на расстоянии около 2,5 миллиона световых лет от Земли в соседней галактике Андромеда. Де и его коллеги проанализировали данные о звезде, полученные в рамках проекта NASA NEOWISE и с помощью других наземных и космических телескопов за период с 2005 по 2023 год.

Они обнаружили, что в 2014 году инфракрасное излучение M31-2014-DS1 начало усиливаться. Затем, в 2016 году, звезда стремительно потускнела, и всего за год ее яркость упала намного ниже первоначальной.

Наблюдения, проведенные в 2022 и 2023 годах, показали, что звезда практически исчезла в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, став в этих диапазонах в десять тысяч раз менее яркой. Ее остатки можно обнаружить только в среднем инфракрасном диапазоне, где она светит в десять раз слабее, чем раньше.

Де говорит: «Эта звезда когда-то была одной из самых ярких в галактике Андромеды, а теперь ее не видно. Представьте, что звезда Бетельгейзе внезапно исчезла. Все бы сошли с ума! То же самое происходило с этой звездой в галактике Андромеды».

Сравнив эти наблюдения с теоретическими прогнозами, исследователи пришли к выводу, что резкое снижение яркости звезды до такой малой доли от ее первоначальной общей яркости является убедительным доказательством того, что ее ядро коллапсировало и превратилось в черную дыру.

Как умирают и коллапсируют массивные звезды

В ядрах звезд водород превращается в гелий, и этот процесс создает направленное наружу давление, уравновешивающее постоянное гравитационное притяжение. Когда у массивной звезды, которая примерно в 10 и более раз тяжелее нашего Солнца, заканчивается топливо, баланс между внутренними и внешними силами нарушается. Гравитация начинает сжимать звезду, и ее ядро сначала разрушается, образуя в центре плотную нейтронную звезду.

Часто выделение нейтрино в ходе этого процесса порождает мощную ударную волну, которая способна разорвать на части большую часть ядра и внешних слоев сверхновой. Однако если ударная волна, вызванная нейтрино, не выталкивает звездный материал, то, согласно теории, большая его часть падает обратно на нейтронную звезду, образуя черную дыру.

«Мы уже почти 50 лет знаем, что черные дыры существуют, — говорит Де, — но до сих пор не до конца понимаем, какие звезды превращаются в черные дыры и как это происходит».

Скрытая роль конвекции

Наблюдения и анализ M31-2014-DS1 позволили команде по-новому интерпретировать данные наблюдений за похожей звездой NGC 6946-BH1. Это привело к важному прорыву в понимании того, что произошло с внешними слоями звезды после того, как она не превратилась в сверхновую и схлопнулась в черную дыру. Что же упустили из виду? Конвекцию.

Конвекция — это побочный эффект огромной разницы температур внутри звезды. Материал в центре звезды очень горячий, а внешние слои гораздо холоднее. Из-за этой разницы газы внутри звезды перемещаются из более горячих областей в более холодные.

Когда ядро звезды коллапсирует, газ во внешних слоях продолжает быстро двигаться из-за конвекции. Теоретические модели, разработанные астрономами из Института Флэтайрон, показали, что это не дает большей части внешних слоев упасть прямо в черную дыру. Вместо этого самые внутренние слои вращаются вокруг черной дыры и способствуют выбросу внешних слоев конвективной области.

Выброшенный материал остывает по мере удаления от раскаленного вещества вокруг черной дыры. Этот остывший материал легко превращается в пыль в результате соединения атомов и молекул. Пыль заслоняет горячий газ, вращающийся вокруг черной дыры, нагревая ее и вызывая заметное усиление яркости в инфракрасном диапазоне. Это остаточное красное свечение видно еще несколько десятилетий после того, как сама звезда исчезает.

Медленная, вихревая гибель

Соавтор исследования и научный сотрудник Flatiron Research Андреа Антони ранее разработала теоретические модели для описания этих процессов конвекции. По ее словам, благодаря поразительным результатам наблюдений за M31-2014-DS1 «скорость аккреции — скорость падения вещества — намного ниже, чем если бы звезда схлопывалась напрямую. У этого конвективного вещества есть угловой момент, поэтому оно вращается вокруг черной дыры по орбите». Вместо того чтобы падать в течение нескольких месяцев или года, она падает десятилетиями. Из-за этого она становится ярче, чем могла бы быть, и мы наблюдаем длительную задержку в угасании исходной звезды.

Подобно тому, как вода не стекает прямо вниз, а кружится вокруг слива в ванне, газ, движущийся вокруг этой недавно образовавшейся черной дыры, продолжает хаотично вращаться, даже когда его медленно затягивает внутрь.

Таким образом, замедление падения, вызванное конвекцией, не дает всей звезде коллапсировать прямо в новорожденную черную дыру. Вместо этого, по предположению исследователей, даже после того, как ядро звезды схлопывается, часть вещества медленно возвращается обратно в течение многих десятилетий.

По оценкам исследователей, только около 1% первоначального газа из звёздной оболочки попадает в чёрную дыру, питая свет, который исходит от неё сегодня.

Растущий класс несостоявшихся сверхновых

Анализируя данные наблюдений за M31-2014-DS1, Де и его команда также пересмотрели данные по аналогичной звезде NGC 6946-BH1, классифицированной 10 лет назад. В новой статье они приводят убедительные доказательства того, что эта звезда развивалась по схожему сценарию. M31-2014-DS1 изначально выделялся как «необычный объект», говорит Де, но теперь, похоже, он стал одним из представителей целого класса объектов, в который входит и NGC 6946-BH1.

«Только благодаря таким отдельным находкам мы начинаем складываться в общую картину», — говорит Де.

На изображении:

Иллюстрация коллапса звезды с образованием черной дыры. Черная дыра находится в центре и не видна. Ее окружает пылевая оболочка, удаляющаяся от черной дыры, и газ, притягиваемый к ней.

Источник: vk.com

Комментарии: