Новое исследование прослеживает судьбу звезд, живущих вблизи центральной черной дыры Млечного Пути

На этой иллюстрации показаны орбиты звезд, очень близких к Стрельцу А* — сверхмассивной черной дыре в центре Млечного Пути. Автор: ESO / L. Calçada / Spaceengine.org

Несмотря на свой древний возраст, некоторые звезды, вращающиеся вокруг центральной сверхмассивной черной дыры Млечного Пути, кажутся обманчиво молодыми. Но в отличие от людей, которые могут выглядеть помолодевшими после инъекции коллагена, эти звезды выглядят молодыми по гораздо более мрачной причине.

Они съели своих соседей.

Это лишь один из наиболее необычных результатов нового исследования Северо-Западного университета. Используя новую модель, астрофизики проследили жестокие путешествия 1000 смоделированных звезд, вращающихся вокруг центральной сверхмассивной черной дыры нашей галактики, Стрельца А* (Sgr A*).

Этот регион, настолько густонаселенный звездами, что часто подвергается жестоким звездным столкновениям. Моделируя эффекты этих интенсивных столкновений, новая работа показывает, что выжившие после столкновений могут потерять массу и стать «урезанными» звездами с малой массой, или же могут слиться с другими звездами, чтобы стать массивными и помолодевшими по внешнему виду.

«Область вокруг центральной черной дыры заполнена звездами, движущимися с чрезвычайно высокими скоростями», — сказала Санаи С. Роуз из Northwestern, возглавлявшая исследование.

«Это немного похоже на пробежку через невероятно переполненную станцию метро в час пик. Если вы не сталкиваетесь с другими людьми, значит, вы проходите очень близко от них. Для звезд эти близкие столкновения по-прежнему заставляют их взаимодействовать. Мы хотели изучить, что эти столкновения и взаимодействия означают для звездного населения, и охарактеризовать их результаты».

Роуз представляет это исследование на апрельской встрече Американского физического общества (APS) в Сакраменто, Калифорния. «Столкновения звезд в галактическом центре» состоятся в четверг (4 апреля) в рамках сессии «Астрофизика частиц и галактический центр».

Роуз является научным сотрудником Линдхаймера в Северо-Западном центре междисциплинарных исследований и исследований в области астрофизики (CIERA).

Суждено столкнуться

Центр нашего Млечного Пути — странное место. Гравитационное притяжение Стрельца А* заставляет звезды вращаться по своим орбитам с ужасающей скоростью. А общее количество звезд, сосредоточенных в центре галактики, превышает миллион. В самой внутренней области — в пределах 0,1 парсека от черной дыры — немногим звездам удается уйти невредимыми.

«Ближайшая к нашему Солнцу звезда находится примерно в четырех световых годах», — объясняет Роуз. «На таком же расстоянии от сверхмассивной черной дыры находится более миллиона звезд. Это невероятно густонаселенный район. Вдобавок ко всему, сверхмассивная черная дыра обладает очень сильным гравитационным притяжением. Вращаясь вокруг черной дыры, звезды могут двигаться со скоростью тысячи километров в секунду».

В этом тесном и беспокойном районе звезды могут сталкиваться с другими звездами. И чем ближе звезды живут к сверхмассивной черной дыре, тем больше увеличивается вероятность столкновения. Заинтересовавшись результатами этих столкновений, Роуз и ее коллеги разработали симуляцию, позволяющую проследить судьбу звездного населения в галактическом центре. При моделировании учитывается несколько факторов: плотность звездного скопления, масса звезд, скорость орбиты, гравитация и расстояния до Sgr A*.

От жестоких сближений до тотальных слияний

В своем исследовании Роуз выявила один фактор, который, скорее всего, определит судьбу звезды: ее расстояние от сверхмассивной черной дыры.

В пределах 0,01 парсека от черной дыры звезды, движущиеся со скоростью, достигающей тысяч километров в секунду, постоянно сталкиваются друг с другом. Это редко бывает лобовым столкновением и больше похоже на «жестокое сближение», как описывает это Роуз. Удары недостаточно сильны, чтобы полностью разбить звезды. Вместо этого они сбрасывают свои внешние слои и продолжают мчаться по курсу столкновения.

«Они врезаются друг в друга и продолжают вращаться», — сказала Роуз. «Они просто касаются друг друга, как будто обмениваются очень яростными «дай пять» (high five). Это заставляет звезды выбрасывать часть материала и терять свои внешние слои. В зависимости от того, насколько быстро они движутся и насколько они перекрываются при столкновении, они могут потерять довольно много внешних слоев. Эти разрушительные столкновения приводят к появлению популяции странных, урезанных звезд малой массы».

За пределами 0,01 парсека звезды движутся с более спокойной скоростью — сотни километров в секунду, а не тысячи. Из-за более низких скоростей эти звезды сталкиваются друг с другом, но у них не хватает энергии, чтобы спастись. Вместо этого они сливаются, становясь более массивными. В некоторых случаях они могут даже несколько раз сливаться и становиться в 10 раз массивнее нашего Солнца.

«Несколько звезд выигрывают в лотерею столкновений», — сказала Роуз. «В результате столкновений и слияний эти звезды собирают больше водорода. Хотя они образовались из более старшего населения, они маскируются под помолодевшие, молодые на вид звезды. Они подобны звездам-зомби: они поедают своих соседей».

Но молодой внешний вид достигается за счет более короткой продолжительности жизни.

«Они умирают очень быстро», — сказала Роуз. «Массивные звезды похожи на гигантские, пожирающие бензин автомобили. Они начинаются с большого количества водорода, но сгорают очень, очень быстро».

Экстремальная среда, «не похожая ни на одну другую»

Хотя Роуз находит простую радость в изучении причудливой, экстремальной области вблизи нашего галактического центра, ее работа также может раскрыть информацию об истории Млечного Пути. А поскольку центральный кластер чрезвычайно трудно наблюдать, симуляции ее команды могут пролить свет на скрытые процессы.

«Эта среда не похожа ни на одну другую», — сказала Роуз. «Звезды, находящиеся под влиянием сверхмассивной черной дыры в очень густонаселенном регионе, не похожи ни на что, что мы когда-либо увидим в окрестностях нашей Солнечной системы. Но если мы сможем узнать об этих звездных популяциях, то, возможно, сможем узнать кое-что новое о том, как был устроен галактический центр. По крайней мере, это определенно контрастирует с окрестностями, в которых мы живем».

Презентация Роуз будет включать исследования, опубликованные в The Astrophysical Journal Letters в марте 2024 года и в The Astrophysical Journal в сентябре 2023 года.

Больше информации: Sanaea C. Rose et al, Collisional Shaping of Nuclear Star Cluster Density Profiles, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad251f
Sanaea C. Rose et al, Stellar Collisions in the Galactic Center: Massive Stars, Collision Remnants, and Missing Red Giants, The Astrophysical Journal (2023). DOI: 10.3847/1538-4357/acee75 Больше информации: Sanaea C. Rose et al, Collisional Shaping of Nuclear Star Cluster Density Profiles, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad251f
Sanaea C. Rose et al, Stellar Collisions in the Galactic Center: Massive Stars, Collision Remnants, and Missing Red Giants, The Astrophysical Journal (2023). DOI: 10.3847/1538-4357/acee75

Источник: Northwestern University