Новые симуляции проливают свет на разрушение звезд сверхмассивными черными дырами

Формирование диска в изэнтропической симуляции (радиационно эффективное охлаждение) с вращающейся черной дырой (a = 0,99, θ = 60°). Диск в этом случае формируется через 90 дней и претерпевает дифференциальную прецессию, которая «разрывает» диск на независимые кольца. Автор: The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad6862

Астрономы из Университета Монаша внесли свой вклад в понимание драматической судьбы звезд, которые оказываются слишком близко к сверхмассивным черным дырам в центрах галактик.

Международная исследовательская группа под руководством профессора Дэниела Прайса и бывшего студента Дэвида Липтая из Школы физики и астрономии с помощью инновационных методов моделирования описала сложный процесс разрыва и поглощения звезд черными дырами, предоставив новые сведения о загадочных оптических и ультрафиолетовых излучениях, наблюдаемых во время этих катастрофических событий.

«Это первая самосогласованная симуляция приливного разрушения звезды сверхмассивной черной дырой, за которым следует эволюция образовавшихся обломков в течение года», — сказал профессор Прайс.

«Наши моделирования открывают новый взгляд на последние моменты жизни звезд вблизи сверхмассивных черных дыр», — сказал он.

«Зафиксировав полную эволюцию мусора, мы можем попытаться связать моделирование с растущим числом наблюдаемых событий разрушения звезд, выявленных с помощью телескопических исследований»

Когда звезда проходит слишком близко к сверхмассивной черной дыре, интенсивные гравитационные силы разрывают ее в процессе, известном как событие приливного разрушения (TDE). Осколки звезды образуют поток, который в конечном итоге питает черную дыру. Осколки звезды образуют вращающийся диск вокруг черной дыры, который испускает интенсивное излучение по всему электромагнитному спектру. Однако многие аспекты TDE остаются плохо изученными.

Новые расчеты показывают, что этот мусор образует асимметричный пузырь вокруг черной дыры, перерабатывая энергию и создавая наблюдаемые кривые блеска с более низкими температурами, более слабой светимостью и скоростями газа 10 000–20 000 км/с.

«Исследование помогает объяснить несколько загадочных свойств наблюдаемых TDE», — сказал профессор Прайс. «Хорошей аналогией является человеческое тело: когда мы едим обед, температура нашего тела не сильно меняется. Это происходит потому, что мы перерабатываем энергию от обеда в инфракрасные длины волн».

«TDE похож на это, мы в основном не видим, как черная дыра поглощает газ, потому что он задыхается от материала, который переизлучает на оптических длинах волн. Наши моделирования показывают, как происходит это задыхание».

Формирование диска в ядре оболочки при продолжении адиабатического моделирования с радиационно эффективным охлаждением. Мы возобновили адиабатический расчет через 1 год после нарушения, предполагая изоэнтропическую эволюцию. Автор: The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad6862

Другие загадки, объясненные новыми симуляциями, включают:

• Почему приливные явления наблюдаются в оптическом, а не в рентгеновском диапазоне длин волн, где рентгеновские лучи можно было бы ожидать от аккреции на сверхмассивную черную дыру.
• Почему наблюдаемые температуры соответствуют фотосфере звезды, а не ожидаемому горячему аккреционному диску.
• Почему наблюдаемые события разрушения звезд слабее, чем ожидается на основе моделей черных дыр, эффективно поглощающих вещество.
• Почему спектры наблюдаемых событий показывают, что материя расширяется по направлению к нам со скоростью, составляющей несколько процентов от скорости света (10–20 000 км/с).

Исследовательская группа использовала усовершенствованный код гидродинамики сглаженных частиц Phantom, включающий общие релятивистские эффекты для точного моделирования динамики звезды и мусора. Этот уровень детализации имеет решающее значение для захвата сложных взаимодействий и процессов рассеивания энергии, которые происходят во время и после разрушения звезды.

«Результаты исследования подтверждают теоретическое существование оболочек Эддингтона, которые действуют как слой переработки излучаемой энергии, объясняя оптическое и ультрафиолетовое излучение, наблюдаемое во время TDE», — сказал профессор Прайс.

«Эта модель также предлагает потенциальное объяснение наблюдаемых различий в рентгеновских и оптических кривых блеска этих событий, предполагая, что различные углы наблюдения могут быть причиной этих расхождений».

Больше информации: Daniel J. Price et al, Eddington Envelopes: The Fate of Stars on Parabolic Orbits Tidally Disrupted by Supermassive Black Holes, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad6862

Источник: Monash University