Чёрные дыры, проглатывающие звёзды, делятся своими секретами посредством экзотических световых шоу

Иногда чёрные дыры обнаруживают себя, когда их гравитация разрывает пролетавшую мимо звезду. Эти события привели к появлению нового способа разметки скрытого космоса астрономами

Чёрные дыры очень сложно найти и ещё сложнее изучать – что неплохо сочетается с названием и общим впечатлением от них. Небольшие ЧД можно подслушивать посредством гравитационных волн, разбегающихся по космосу после их столкновений – однако эта технология пока ещё молода и редко используется. Можно усердно трудиться над составлением карт звёзд, порхающих вокруг центра Млечного пути или ближайших галактик. Или можно смотреть, как ЧД поглощают газовые облака, которые при падении в них испускают излучение.

Но теперь у исследователей появился новый вариант. Они начали собирать данные о сверхъярких вспышках, известных, как события приливного распада (СПР), происходящих, когда крупная ЧД захватывает пролетающую мимо звезду, разрывает её пополам и поглощает большую её часть с аппетитом медведя, жующего лосося. “Как по мне, это всё напоминает научную фантастику”, – говорит Энрико Рамирес-Руис, астрофизик из Калифорнийского университета в Санта-Круз и Института Нильса Бора.

Но за последние несколько лет изучение СПР превратилось из научной фантастики сначала в кустарное производство, а потом в нечто вроде суматошного технологического стартапа.

Автоматические телескопы с широким углом обзора, способные каждую ночь рассматривать тысячи галактик, обнаружили порядка двух десятков СПР. Среди них встречаются и некоторые странные экспонаты зоопарка СПР, давно разыскиваемые учёными. В июне исследование в журнале Nature Astronomy описало вспышку рентгеновского излучения в скоплении далёких звёзд, которую учёные определили, как ЧД среднего размера, поглощающую звезду. В том же месяце другая группа объявила в журнале Science, что они открыли то, что может быть ярчайшим СПР, подсветившим тусклый газ в сердце пары объединяющихся галактик.

Эти открытия случились как раз тогда, когда мы лучше начинаем понимать, что происходит во время СПР. В мае группа астрофизиков предложила новую теоретическую модель того, как работают СПР. Модель может объяснить, почему разные СПР могут выглядеть и работать по-разному, хотя лежащая в их основе физика вроде бы должна быть одной и той же.

Астрономы надеются, что расшифровка этих экзотических световых шоу позволит им провести перепись ЧД. СПР раскрывают информацию по массе, вращению и количеству ЧД во Вселенной – большинство из них в ином случае были бы нам не видны. Теоретики, к примеру, жаждут проверить, смогут ли СПР показать нам ЧД средней массы, попадающие в промежуток между двумя известными классами ЧД: ЧД звёздной массы, масса которых в несколько раз превышает солнечную, и монстры с массой в миллионы и миллиарды солнечных, обитающие в ядрах галактик. Работа, опубликованная в Nature Astronomy, утверждает, что возможно, СПР уже показывают нам эти ЧД.


Цифровая симуляция ядра звезды, поглощаемой ЧД

Также исследователи начали использовать СПР для зондирования фундаментальной физики ЧД. Их можно использовать для проверки того, всегда ли у ЧД есть горизонты событий – границы, из-за которой ничто не может вернуться – как предсказывает Общая теория относительности Эйнштейна.

Тем временем, многие другие наблюдения уже ждут своей очереди. Скорость поступления новых СПР уже составляет раз или два в год, и может скакануть вверх на порядок уже к концу этого года благодаря транзитному обзору Цвикки, в рамках которого в марте началось исследование неба над Паломарской обсерваторией в Калифорнии. Когда к проекту присоединяться другие обсерватории согласно плану на ближайшие несколько лет, эта скорость может вырасти ещё на порядок.

“Область прямо-таки процветает”, – сказала Сюви Джезари из Мэрилендского университета, одна из нескольких упорных пионеров, поставивших свою карьеру на СПР в предыдущие годы. Сейчас она руководит командой проекта транзитного обзора Цвики, охотящейся за СПР, которая уже отловила неопубликованных пока кандидатов. “И сейчас люди начинают углубляться в эту область”.

В поисках звёздных ирисок

В 1975 году британский физик Джек Хиллс впервые предложил сценарий поедания звезды чёрной дырой как способ объяснить существование мощных квазаров – сверхъярких точек света, расположенных в удалённой Вселенной. (Сейчас известно, что квазары представляют собой сверхмассивные чёрные дыры, поглощающие окружающий их газ, а не звёзды). Но в 1988 британский космолог Мартин Рис понял, что ЧД, поедающая звезду, испустила бы короткую и яркую вспышку, а не постоянное свечение. Он утверждал, что поиск подобных вспышек мог бы позволить астрономам найти и изучить сами ЧД.

И ничего подходящего не было обнаружено вплоть до конца 1990-х. Именно тогда Стефани Комосса, аспирант Института внеземной физики Макса Планка, обнаружила энергичные вспышки рентгеновского излучения, исходившие из центров удалённых галактик, которые становились ярче и приглушались согласно предсказаниям Риса.

Астрономическое сообщество осторожно отреагировало на эти открытия, основанные всего на нескольких измерительных точках. Затем, в середине 2000-х, Джезари, тогда – начинающий постдок Калифорнийского технологического института, искала и нашла свой собственный набор кандидатов на СПР. Она искала вспышки ультрафиолета, а не рентгеновских лучей, как Комосса. “В былые дни, – сказала Джезари, – я просто пыталась убедить людей в том, что все эти наши открытия были связаны с приливным распадом”.


Сюви Джезари

Однако вскоре у неё появилось то, что убедило даже скептиков. В 2010 Джезари открыла особенно чёткую вспышку, которая возникала и исчезала точно в соответствии с моделями. Она опубликовала отчёт в журнале Nature в 2012 году, чем привлекла внимание других астрономов. В последующие годы крупные проекты наблюдений в оптическом диапазоне, просеивающие небеса в поисках изменений в яркости, взяли на себя эту охоту. И, как СПР, открытые Комосса и Джезари в процессе выполнения миссий, разработанных для поисков совершенно других вещей, последний набор данных появился в виде побочного эффекта. “Мы тогда подумали – как же нам не пришло в голову их поискать?” – сказал Кристофер Кочанек, астрофизик из Университета Огайо, работающий в проекте поиска сверхновых.

Теперь, с растущим количеством обнаруженных СПР, астрофизикам осталось рукой подать до изначальной цели Риса: обнаружить и изучить гигантские чёрные дыры. Но им всё ещё необходимо интерпретировать эти события, строя догадки по поводу их основных физических процессов. Неожиданно новые СПР разделились на несколько классов. Некоторые испускают почти только ультрафиолет и видимый свет, так, как делает газ, разогретый до десятков тысяч градусов. Другие яростно светятся в рентгеновском диапазоне, что говорит о температурах на порядок выше. Однако предполагается, что у всех явлений есть общие физические корни.

Чтобы оказаться разорванной, несчастная звезда должна подобраться к ЧД достаточно близко для того, чтобы приливные силы преодолели внутреннюю гравитацию, связывающую материю звезды. Иначе говоря, разница в притяжении ЧД на ближней и дальней от неё частях звезды, вкупе с инерцией, появляющейся из-за полёта звезды вокруг ЧД, растягивают звезду в струю. “Она, по сути, превращается в спагетти”, – сказал Джеймс Гильошон, астрофизик из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.

Другая половина звезды убегает в космос. Внутренняя же половина – эта плотная струя звёздной ириски – закручивается вокруг ЧД, разогревается и испускает огромную энергию, излучающуюся по всей Вселенной.

Поняв общий механизм, исследователи с трудом разбирались, почему разные СПР могут так по-разному выглядеть. Одна из давних идей говорит о различных фазах процесса пожирания звёзд. Когда проходит начальная стадия отрыва плоти звезды и растяжения её в струю, она может срикошетить вокруг ЧД и врезаться в собственный хвост. Этот процесс может разогреть хвост до температур, выдающих ультрафиолетовое излучение – но не более. Затем позже, через несколько месяцев или лет, звезда превратится в аккреционный диск, жирный пончик вращающегося газа, который, как предсказывают теории, должен разогреваться достаточно для того, чтобы испускать рентгеновские лучи.

Но есть и ещё один вариант, как утверждает команда под руководством Джейн Ликсин Дай из Института Нильса Бора и Рамирес-Руис. Согласно их симуляциям, учитывающим эффекты ОТО, разные СПР могут оказаться одним явлением, которое мы видим с разных углов. Если астрономы наблюдают за пончиком аккреционного диска сверху, они могут видеть исходящие из горячего внутреннего материала рентгеновские лучи, направленные перпендикулярно ему. Когда мы видим аккреционный диск с ребра, на пути излучения встаёт более холодный газ. Он улавливает рентгеновское излучение, и повторно испускает его уже как ультрафиолет.

Зарегистрируйтесь с промокодом в системе каршеринга, и на ваш счёт зачислят бонусы.

Делимобиль79153108948
YouDrive и YouDrive litea8Yh6e
BelkaCarTMGA3338
TimcarCLJ9UJ
AnytimeBGGSDZ

Оплатите подписку, и реклама отключится

В целом, теоретики надеются, что каждое событие окажется вариантом единого, основного явления, чтобы потом можно было углубляться в науку. “Может, мы узнаем что-то фундаментальное по поводу аккреции”, – сказал Кочанек. Или, возможно, “каждый из них окажется достаточно уникальным, и тогда это будет что-то вроде попытки волноваться по поводу формы облака”.

Испытывая Эйнштейна

Недавно открытые СПР также помогают астрономам понять сверхмассивные ЧД, управляющие галактиками. Только 10% из этих гигантов испускают излучение, поглощая окружающий их газ, а 90% остаются невидимыми.

СПР изменил эту ситуацию. Комосса, астроном из Института радиоастрономии Макса Планка, надеется найти больше двойных сверхмассивных ЧД, вынужденных существовать в близком контакте после столкновения их галактик. Такие ЧД будут искать также будущие космические эксперименты посредством регистрации гравитационных волн. Если в процессе затягивания звезды в ЧД рядом будет присутствовать другая сверхмассивная утроба, она будет отклонять этот поток материи. И вместо плавного приглушения, в СПР будут наблюдаться провалы и всплески.

Другие команды хотят испытать странную фундаментальную корреляцию. Каким-то образом массы центральных ЧД и их галактик растут совместно. “Массе ЧД известна масса галактики, что прямо-таки завораживает”, – сказал Рамирес-Руис. СПР помогут распознать массы ЧД в независимом наборе галактик, что либо усилит, либо ослабит эту взаимосвязь.


Энрико Рамирес-Руис

СПР также могут раскрыть самую необычную популяцию: самые мелкие из существующих ЧД. И хотя известно, что самые крупные из известных ЧД могут иметь массу в 10 млрд раз больше солнечной, а в галактиках типа Млечного пути могут существовать особи, достигающие миллионов солнечных масс, непонятно, существуют ли в карликовых галактиках пропорционально мелкие их разновидности – массой в сотни тысяч солнечных или менее.

Обнаружение СПР, исходящих от этих ЧД средней массы, решило быв этот вопрос, и помогло бы астрономам понять, как вообще формируются гигантские ЧД. В июньской работе в журнале Nature Astronomy учёные заявляют об обнаружении подобного среднего объекта массой в несколько десятков тысяч солнечной. Это событие было обнаружено в 2003 году, достигла пика в 2006, и затем затухало последующее десятилетие. Вспышка рентгеновского излучения произошла не в центре галактики, а в звёздном скоплении, там, г де ЧД средней массы могут слиться из нескольких звёзд. Но единое событие не делает статистики. “Нам нужно обнаружить больше подобных событий, чтобы подтвердить результат”, – сказал Дачен Лин, астрофизик из Нью-Гемпширского университета, руководивший исследованием.

За этим идут ещё более серьёзные цели. При помощи СПР также начинают проверять правильность представления ОТО о ЧД, и заглядывают туда, где теория может сломаться.

К примеру, с ростом массы ЧД её предсказанный горизонт событий непрерывно ширится наружу. Но радиус, на котором приливные силы ЧД способны разорвать звезду, увеличивается медленнее. При теоретическом пределе, известном, как масса Хиллса, и составляющем 100 млн солнечных масс, радиус разрыва звёзд ЧД в точности совпадает с радиусом горизонта событий. Это должно накладывать ограничение по массе на СПР. “Имея меньшую массу, можно что-нибудь разорвать. Но ЧД с большей массой проглатывают звёзды целиком”, – сказал Николас Стоун, астрофизик-теоретик из Колумбийского университета.

Пока что данные соответствуют теории. Появление и исчезновение известных СПР – эта техника уже стала достаточно надёжным способом определения массы сверхмассивных ЧД – происходит вокруг ЧД с массой меньшей массы Хиллса, что говорит о том, что более массивные объекты действительно обладают предсказанными ОТО радиусами горизонта событий.

Но Стоун с коллегами жаждут исследовать дополнительную особенность. Вращающаяся ЧД массой в 10 раз больше массы Хиллса всё равно сможет проглатывать звёзды. В итоге, открыв ещё больше СПР, астрономы смогут посмотреть, как количество событий уменьшается с увеличением массы, что должно помочь им понять, насколько быстро крутятся ЧД, сказал Стоун.

Это может вернуть внимание к описанию горизонтов событий, существующему в ОТО. У вращающейся ЧД есть теоретическая максимальная скорость, и любые ЧД, вращающиеся быстрее, нарушили бы теорию о существовании у ЧД чёткой границы.

К счастью, способы проверки этих идей уже на подходе. Транзитный обзор Цвики уже отвергает слишком много кандидатов, говорит Джезари. Проект напрягает все ресурсы до предела, пытаясь выделить время работы с телескопом для всех достойных целей наблюдения.

Следующие крупные шаги последуют уже скоро. Совместный российско-германский проект космического телескопа eROSITA, если он будет запущен по плану, в 2019, сможет заметить сотни или тысячи СПР в виде вспышек рентгеновских лучей. Это должен суметь сделать и зонд Эйнштейна, китайский проект, в котором участвует Комосса, планируемый к запуску в 2022. А ещё есть Большой обзорный телескоп, который сейчас строят в Чили, с планами начать сканирование неба в 2022 году – он должен суметь обнаружить сотни или тысячи СПР среди прочих ночных явлений.

Для Рамиреса-Руиса такой рост, последовавший за скромным началом новой области – естественное следствие современной “небесной кинематографии”, запись таймлапс-видеороликов телескопами, делающими это несколько ночей подряд. СПР в определённой галактике случается раз в 10 000 лет, когда неудачливая звезда слишком близко подбирается к ЧД. Но теперь, когда мы рассматриваем достаточно много галактик сразу, сказал он, “эта область реально испытала взрывной рост”.

Источник

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

785 просмотров всего, 4 просмотров сегодня

Ещё записи на эту тему

Млечный Путь до сих пор ощущает последствия древней встречи... Небольшая галактика, сотни миллионов лет назад пролетавшая очень близко к нашей, подняла такие волны в Млечном Пути, которые астрономы могут видеть до сих пор В полутора миллионах километров от З...
Спросите Итана: можем ли мы отправить миссию типа Кассини к Урану или Нептуну?... Вояджер-2 пролетел мимо Урана (справа) и Нептуна (слева), открыв нам их свойства, цвета, атмосферы и системы колец. У обеих планет нашлись кольца, много интересных лун, и атмосферные, а также поверх...
Спросите Итана: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы?... Если Вселенная расширяется, можно понять, почему далёкие галактики удаляются от нас. Но почему не расширяются звёзды, планеты и атомы? Одним из крупнейших научных сюрпризов XX века стало открытие...
Какие сведения о Вселенной может дать нам лунное затмение... Во время большинства лунных затмений за частичным затмением начинается тёмно-красная полоса, накрывающая Луну с одного края, но при этом одна её часть всегда остаётся ярче и белее другой. Частичные ...