Когда черные дыры уничтожают звезды
Чрезвычайно массивные черные дыры разрывают на части и пожирают приближающиеся звезды. Это можно детально изучить с помощью новых систем телескопов.
Почти каждая крупная галактика, включая наш Млечный Путь, скрывает в своем центре космическую загадку: сверхмассивную черную дыру. Причудливый небесный объект имеет массу в миллионы или миллиарды раз больше солнечной в области пространства, которая меньше нашей Солнечной системы. Он оказывает соответственно мощные гравитационные силы на свое окружение. Астрономы хотят изучить рост и поведение этих объектов, чтобы лучше понять формирование и эволюцию галактик вокруг них.
Поскольку черные дыры не излучают свет, они обычно остаются невидимыми. Только когда они пожирают материю, они дают о себе знать, но это случается на удивление редко. Газ, пыль и звезды обычно вращаются вокруг них по фиксированным орбитам и не поглощаются. Их ненасытный голод становится заметен только издалека, когда в них попадает большее количество материи.
В течение 50 лет исследователи наблюдали один тип прожорливых черных дыр, в частности: квазары, открытые астрономом Маартеном Шмидтом в 1963 году. Это небесное явление, вероятно, самое впечатляющее из всех, представляет собой активное ядро галактики, которое сияет ярче, чем миллиарды солнц. Предположительно, это возможно только потому, что огромные облака газа и пыли по спирали приближаются к сверхмассивной черной дыре в течение сотен или тысяч миллионов лет, сжимаясь и нагреваясь настолько, что светятся интенсивнее, чем любой другой объект во Вселенной в течение длительного времени.
К сожалению, квазары относительно редки и к тому же очень далеко от нас. Поскольку они излучают лишь часть времени существования черной дыры, спрятанной в их центре, они дают мало информации о всей ее эволюции. Хотя масса черных дыр может быть определена путем измерения скорости звезд, вращающихся вокруг них, это возможно только в том случае, если они находятся достаточно близко - в Млечном Пути или в соседней галактике - чтобы наши телескопы могли различать отдельные звезды., Ещё в 1988 году британский астроном Мартин Рис предложил ещё один метод исследования, который недавно начал приносить плоды. Вместо наблюдения за излучением квазаров или скоростями близко вращающихся звезд можно было бы искать короткие яркие вспышки света вблизи галактических центров. Они возникают, когда сверхмассивная черная дыра поглощает звезду, и называются событиями приливного разрушения (TDE). Поскольку они длятся не тысячи лет, а всего несколько месяцев, звездное разрушение можно проследить от начала до конца. Они очень яркие, поэтому их легко наблюдать даже в далеких галактиках.
Видео HYPERRAUM. TV совместно с "Spektrum der Wissenschaft".
Как огромные гравитационные силы разрывают звезду
В принципе, TDE имеют ту же причину, что и приливы и отливы. Луна в значительной степени ответственна за земные приливы: ее гравитационное притяжение больше на ближней стороне земного шара, чем на дальней, и это несоответствие действует как приливная сила. Это создает локальное повышение уровня моря по обеим сторонам земли, которое мы воспринимаем как прилив. Однако, когда звезда оказывается в тисках сверхмассивной черной дыры, экстремальные различия могут буквально разорвать ее в клочья.
Детали зависят от размера обоих небесных тел. Небольшой и плотный объект, такой как белый карлик, гораздо лучше сопротивляется таким силам, чем обычная звезда, такая как наше Солнце; даже шар для боулинга порвать труднее, чем сладкую вату. Самые большие черные дыры, соответствующие миллиардам солнечных масс, вообще не производят TDE: они пожирают звезду до того, как приливная сила становится достаточно большой. Напротив, силы, действующие на черную дыру, масса которой в миллионы раз превышает массу Солнца, разорвут любую звезду в пределах 50 миллионов километров от нее. Это примерно расстояние от Солнца до Меркурия.
Распад звезды - это только начало захватывающего фейерверка. Осколки постепенно покидают орбиту, изначально описанную звездой. Около половины материала образует длинные нити, которые удаляются от черной дыры, а другая половина начинает вращаться по орбите в виде аккреционного диска, спиральной структуры, ядро которой медленно всасывается в черную дыру. Этот материал достигает почти скорости света и начинает светиться, когда гравитация и силы трения сжимают и нагревают его почти до 250 000 градусов по Цельсию. Затем в течение нескольких недель или месяцев невидимая ранее черная дыра затмевает все звезды в своей галактике.
Редкие и трудно обнаруживаемые
Хотя теоретики предсказали это явление несколько десятилетий назад, такие звездные фрагментации не были обнаружены примерно до 2000 года, потому что они очень редки: по оценкам, они происходят только раз в 100 000 лет в галактике размером с Млечный Путь.. Кроме того, их трудно наблюдать. Согласно простым теоретическим моделям, аккреционный диск должен излучать в основном в мягком рентгеновском или ближнем ультрафиолетовом диапазоне длин волн, но эти длины волн труднодоступны для наземных телескопов из-за интерференции межзвездной пыли и земной атмосферы.
Согласно тем же моделям, астрономы могут использовать TDE, чтобы достаточно точно определить массу черной дыры, создавшей зрелище. Можно просто измерить, сколько времени требуется TDE для достижения максимальной яркости, потому что это дает представление о том, как быстро формируется аккреционный диск и подает материал в черную дыру. Из-за своей огромной яркости TDE предоставляют информацию о различных массах сверхтяжелых черных дыр, как никакое другое явление.
Первые кандидаты на TDE были обнаружены в данных рентгеновского спутника ROSAT и ультрафиолетового космического телескопа Galaxy Evolution Explorer. Они давали о себе знать как всплески радиации продолжительностью от недель до месяцев в центрах ранее незаметных галактик. Открытия создали совершенно новую область исследований. Однако астрономы изначально зависели от старых данных и не могли изучать явление в реальном времени или на многих длинах волн. Чтобы застать TDE в действии, исследователям нужно было либо очень повезти, либо постоянно наблюдать за обширными участками неба.
К счастью, прогресс в области обработки данных и сенсоров фактически сделал возможными дальние обзоры неба в последние годы. Сегодня высокопроизводительная камера может зафиксировать более одного квадратного градуса неба за один снимок. Многократно исследуя большие участки неба и сравнивая изображения в цифровом виде, можно идентифицировать даже слабые и кратковременные явления. Новые миссии, используемые для этого, называются Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System (Pan-STARRS), Palomar Transient Factory (PTF) и All-Sky Automated Survey for Supernovas (ASAS-SN). Изначально они были разработаны для обнаружения сверхновых и астероидов, но они делают гораздо больше. Ночь за ночью они улавливают свет миллионов галактик, а также отслеживают редкие фрагментации звезд.
Удивительные подробности звездной аннигиляции
Вскоре после начала работы Pan-STARRS группа под руководством астронома Суви Гезари в 2011 году обнаружила TDE под названием PS1-10jh, недалеко от черной дыры с массой около двух миллионов масс Солнца в галактике с массой в 2,7 миллиарда световых лучей. -лет прошло. Поскольку этот TDE был замечен вскоре после сбора данных, команда впервые смогла проследить дальнейшее развитие в видимом и ультрафиолетовом диапазонах вживую, так сказать. Результат поразил исследователей.
Согласно тщательному спектральному анализу, этот TDE выделял слишком мало тепла. При температуре около 30 000 градусов по Цельсию это была лишь часть тепла, необходимого современным моделям для аккреционных дисков. Кроме того, PS1-10jh не исчезла за считанные недели из-за остывания и диссипации своего аккреционного диска, а сохраняла постоянную температуру в течение многих месяцев после своего открытия. Особенно странно было то, что Pan-STARRS обнаружил признаки ионизированного гелия в послесвечении, что должно происходить только при температурах выше 100 000 градусов. Хотя TDE оказался богат гелием, в нем не было водорода, в конце концов, самого распространенного элемента во Вселенной и основного компонента звезд. Теоретики были озадачены.
Чтобы объяснить отсутствие водорода, команда Гезари предположила, что разрушенная звезда уже потеряла свою толстую водородную мантию - возможно, в результате предыдущего взаимодействия с черной дырой - и сохранила только свое богатое гелием ядро, с которым она затем сформировал наблюдаемый аккреционный диск. Но как вы объясните парадоксальное термическое поведение PS1-10jh, т.е. его удивительно низкую температуру и, напротив, избыток гелия, который может ионизироваться только при гораздо более высоких температурах? Поэтому другие теоретики предположили, что астрономы наблюдали не сам аккреционный диск, а газовую завесу, расположенную намного дальше от черной дыры, которая поглощала интенсивное излучение диска и снова испускала его при более низких температурах. Такая завеса имела бы дополнительное преимущество, так как небрежно объясняла кажущееся отсутствие водорода. При правильной температуре и достаточно высокой плотности он скрывает все следы присутствия этого элемента.
Единственная загвоздка в том, что плотная газовая завеса не будет стабильной на необходимом расстоянии от черной дыры. Газ либо упадет в черную дыру, либо улетит в космос. Неясное происхождение этого материала до сих пор является предметом многочисленных споров. Вообще говоря, есть две возможности, обе связанные с динамикой прожорливой черной дыры. Поскольку остатки разрушенной звезды вращаются вокруг нее, образуя растущий аккреционный диск, ударные волны, исходящие от диска, могут предотвратить немедленное падение материала дальше, создавая достаточно стабильную завесу. Согласно другому объяснению, вскоре после своего образования аккреционный диск скатывает внутрь столько материала, что черная дыра почти переполняется, а часть его выбрасывается далеко за пределы диска. Как ясно показывают загадки PS1-10jh и других TDE, обнаруженных вскоре после этого, разрушение звезд - неожиданно сложное явление. Но самый большой сюрприз был еще впереди.
Ранним утром 28 марта 2011 года астрономы всего мира были предупреждены автоматическими сообщениями на своих мобильных телефонах. Спутник Swift только что зафиксировал высокоэнергетический всплеск излучения глубоко в космосе. Swift - это космический телескоп НАСА с итальянским и британским участием, который специализируется в первую очередь на гамма-всплесках (сокращенно GRB), сильных звездных взрывах, которые являются одними из самых радиационно интенсивных краткосрочных событий во Вселенной. Как только поток высокоэнергетических гамма-лучей достигает датчиков Swift, телескоп немедленно реагирует. Он наблюдает за источником в оптическом и рентгеновском диапазонах и одновременно оповещает Землю. Затем астрономы поспешно наводят крупнейшие в мире телескопы на быстро угасающее послесвечение гамма-всплеска. С момента своего запуска в 2004 году Swift таким образом обнаружил более 1000 гамма-всплесков. Однако событие 28 марта 2011 г., позже внесенное в каталог как Swift J1644+57, оказалось чем-то беспрецедентным.
Свифт вызывает фурор вспышкой радиации
Как следует из их названия, гамма-всплески длятся очень короткие периоды времени, от долей секунды до нескольких минут. Сфокусировав наши телескопы на Swift J1644+57 ранним мартовским утром, мы приготовились к обычному короткому послесвечению гамма-всплеска. Вместо этого мы наблюдали сильные беспорядочные вспышки, длящиеся один день, за которыми следовали месяцы интенсивного, медленно затухающего рентгеновского излучения. Вскоре мы обнаружили источник в галактике на расстоянии 3,8 миллиарда световых лет в созвездии Дракона. Наш коллега Джошуа С. Блум из Калифорнийского университета в Беркли сразу сказал, что мы нашли TDE. Он правильно предсказал, что мы найдем этот конкретный источник гамма-излучения в самом центре галактики, где сверхмассивная черная дыра сминает звезды. Но может ли это быть? Все ранее обнаруженные TDE были обнаружены на более длинных волнах с более низкой энергией, исходящих от нагретого аккреционного диска разорванной звезды. Здесь все было иначе.
Как TDE может производить гамма-лучи? Лучший ответ, который мы можем предложить, таков: у черных дыр нет манер за столом. Черная дыра поглощает большую часть газа разрушенной звезды и выбрасывает его, чтобы его больше никогда не видели, за горизонт событий, за который не ускользает даже свет. Но считается, что все черные дыры вращаются, и их угловой момент выталкивает несколько процентов звездного вещества за пределы горизонта событий к полюсам, где газ разгоняется до скорости, близкой к скорости света, и вылетает в виде коллимированных струй частиц. По пути эти энергичные струи испускают гамма- и рентгеновские лучи. Судя по всему, реактивный самолет Swift J1644+57 случайно столкнулся со спутником Swift. Это был удачный улов. По-видимому, не все TDE допускают такие релятивистские - почти со скоростью света - выбросы частиц, и они в основном не нацелены непосредственно на нас.
Тем не менее Swift J1644+57 был не одинок. К началу 2017 года команда Swift обнаружила еще два TDE, испускающих гамма-струи. Эти особенно редкие и интенсивные посланники от умирающих звезд открывают новый доступ к одной из важнейших областей исследований в современной астрофизике высоких энергий - формированию пучков релятивистских частиц.
В отличие от гораздо более крупных и устойчивых джетов и аккреционных дисков квазаров, возникающих в результате длительного падения гигантских газовых облаков в сверхмассивную черную дыру, TDE - это короткие управляемые события, которые легко изучать. Ни один человек никогда не сможет проследить полный жизненный цикл одного квазара, но астрономы уже изучили более 20 TDE от начала до конца. В деталях этих звездных катастроф таится больше загадок. Точные измерения всплесков TDE дают информацию не только о черных дырах, но также о составе и внутренней структуре звезд, которые разлетаются на миллиарды световых лет от нас.
Это относится даже к возможным объектам-компаньонам, которые погибают вместе со своей звездой. Каждая вспышка в центре далекой галактики может означать конец всей планетной системы. Как показали обзоры нашего Млечного Пути, почти каждую звезду сопровождают спутники. В большинстве TDE, вероятно, задействованы целые системы. Даже если планеты не вовлечены в этот процесс напрямую, они могут попасть в релятивистские струи, создаваемые некоторыми TDE, которые простираются в космос на световые годы. Любые следы жизни на этих мирах будут немедленно уничтожены. Возможно, однажды мы станем свидетелями разрушения звезды на нашем космическом заднем дворе, когда черная дыра массой четыре миллиона солнечных, таящаяся в центре Млечного Пути, разорвет на части блуждающую звезду. Вспышка будет очень интенсивной, но безвредной, потому что Земля находится на безопасном расстоянии от галактического центра.
Новая эра исследований TDE возвещается еще более мощными опросами. Большой синоптический обзорный телескоп (LSST) строится в Чили; Ожидается, что этот восьмиметровый телескоп, поле зрения которого покрывает десять квадратных градусов, обнаружит тысячи TDE только за первое десятилетие. Самой большой проблемой будет оценка огромного количества данных. Планируемые радиообсерватории, такие как Square Kilometer Array, расположенные в Австралии и Южной Африке, особенно подходят для обнаружения релятивистских струй, даже когда лучи частиц не направлены прямо на нас. В ближайшем будущем это может привести к созданию каталога TDE с тысячами и тысячами записей, проливающих яркий свет на конец далеких миров.
Heidelberger Verlag Spektrum der Wissenschaft является оператором этого портала. Его онлайн- и печатные журналы, в том числе «Spektrum der Wissenschaft», «Gehirn&Geist» и «Spektrum - Die Woche», сообщают о результатах текущих исследований.