Швидке обертання зірки пояснює дивні спалахи біля чорних дір

Якщо зоря проходить трохи далі, чорна діра зриває лише частину її речовини. Ядро зірки виживає, залишається на орбіті й через місяці або роки знову наближається до чорної діри. Кожне таке зближення відриває нову порцію речовини й супроводжується спалахом світла. Такі явища називають повторними частковими приливними руйнуваннями (rpTDE).

Сучасні огляди неба, які багаторазово сканують великі ділянки й відстежують зміну яскравості об’єктів, дозволили спостерігати за одними й тими самими парами «зоря – чорна діра» протягом кількох проходжень. Серед приблизно десяти відомих на сьогодні повторних систем у чотирьох виявили дивну поведінку: кожен наступний спалах ставав помітно слабшим.

Існуючі теоретичні моделі не могли відтворити таке згасання. У розрахунках яскравість спалахів залишалася приблизно сталою, навіть якщо кількість відірваної речовини зменшувалася від проходження до проходження.

Чому зірки іноді виживають

Класична приливна подія (TDE) відбувається, коли різниця гравітаційного притягання чорної діри на ближній і дальній боки зорі стає настільки великою, що зоря повністю розривається. Її уламки повертаються до чорної діри й утворюють потік речовини, що падає (акрецію). Під час втрати енергії ця речовина випромінює світло, яке може тривати від днів до місяців.

Якщо ж зоря проходить трохи далі, вона втрачає лише частину маси. За умови, що ядро залишається гравітаційно зв’язаним із чорною дірою, воно знову повертається на близьку відстань через кілька місяців або років, втрачаючи нові шари речовини.

Кількість маси, що втрачається під час кожного проходження, залежить від внутрішньої будови зорі. Низькомасивну зорю автори порівнюють із «пухким безе» – вона менш щільна й легше піддається приливним силам. Більш масивна зоря має концентроване ядро, подібне до «цибулини»: зовнішні шари можуть зриватися, тоді як щільний центр майже не страждає. У такому разі з кожним наступним зближенням зоря втрачає дедалі менше речовини.

Це частково пояснює різноманітність поведінки rpTDE, але не сам факт згасання спалахів. Здавалося б, менша кількість речовини має давати слабший спалах, однак попередні гідродинамічні моделі показували інше: попри зменшення маси уламків, яскравість у розрахунках майже не падала.

Роль обертання зорі

Команда Ананьї Бандопадг’яй (Ananya Bandopadhyay) раніше виявила ще один ефект приливних сил чорної діри. Окрім зриву речовини, вони створюють крутний момент, який розкручує зорю. Після кожного зближення її обертання пришвидшується.

Через це, хоча уламків стає менше, вони повертаються до чорної діри за коротший час. Висока швидкість «падіння» речовини підтримує приблизно сталу пікову яскравість спалаху. Отже, просте зменшення маси без урахування обертання не могло пояснити спостережуване згасання.

У новій роботі дослідники додали «відсутній інгредієнт» – зорю, яка вже до першого зближення швидко оберталася. Моделювання показало, що така зоря під час проходжень не зазнає настільки сильного додаткового розкручування. Її швидкість обертання зростає менше, а час, за який відірвана речовина повертається до чорної діри, залишається відносно сталим.

У цій ситуації з кожним разом зривається дедалі менше речовини, але характерний час її повернення майже не змінюється. Тоді максимальна швидкість, із якою матеріал надходить до чорної діри, падає – і передбачувані спалахи природно стають слабшими від проходження до проходження, як це й бачать астрономи.

Як зоря стає такою швидкою

Постає нове питання: чому зоря в таких системах уже спочатку обертається настільки швидко й водночас має надзвичайно тісну орбіту навколо надмасивної чорної діри?

Одне з можливих пояснень дає так званий механізм Хіллса. У цій картині дві зорі, що обертаються одна навколо одної в тісній подвійній системі, пролітають поблизу надмасивної чорної діри. Її гравітація розриває пару: одну зорю викидає з галактики, а іншу захоплює на щільну орбіту.

У достатньо тісних подвійних системах зорі можуть стати приливно заблокованими: період їхнього обертання навколо власної осі збігається з періодом обертання пари. Чим ближча така пара, тим коротший орбітальний період і тим швидше обертається кожна зоря.

Щоб після розриву подвійної системи одна зоря опинилася на дуже короткій орбіті, характерній для rpTDE, початкова пара мала бути надзвичайно компактною. Саме така конфігурація й забезпечує високу швидкість обертання зорі ще до її першого часткового руйнування.

На думку співавтора Еріка Кофліна (Eric Coughlin), робота Бандопадг’яй показує, що й незвично тісні орбіти, і швидке обертання зір у rpTDE можна пояснити єдиним механізмом – приливним руйнуванням подвійної системи та захопленням однієї зорі надмасивною чорною дірою.

Дослідники також припускають, що механізм Хіллса міг сформувати й інші зоряні популяції. Частина зір, які обертаються навколо Стрільця A* – надмасивної чорної діри в центрі Чумацького Шляху, – теж могла опинитися там саме так. Отже, нові результати допомагають краще зрозуміти властивості зір у «нашому космічному подвір’ї».

Швидке обертання зірки пояснює дивні спалахи біля чорних дір з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com