Астрономы впервые наблюдали, как массивная звезда превратилась в черную дыру без сверхновой

Иллюстрация звезды, коллапсировавшей в черную дыру. В центре — невидимая черная дыра, окруженная движущейся от нее пылевой оболочкой и газом, падающим на нее. Автор: Кит Миллер, Caltech/IPAC - SELab.

Астрономы впервые напрямую наблюдали, как массивная умирающая звезда пропустила стадию взрыва сверхновой и сразу коллапсировала в черную дыру. Это событие предоставило самый детальный набор наблюдений за таким переходом, позволив ученым получить необычно полную картину формирования черных дыр звездной массы.

Объединив свежие данные телескопов с архивными наблюдениями за более чем десять лет, исследователи смогли проверить и уточнить давние теории о финале жизни самых массивных звезд. Вместо того чтобы взорваться в яркой сверхновой, ядро этой звезды поддалось гравитации и сформировало черную дыру. При этом ее нестабильные внешние слои были постепенно вытолкнуты наружу.

Результаты, опубликованные 12 февраля в журнале Science, привлекают внимание, поскольку дают редкую возможность увидеть рождение черной дыры. Они могут помочь объяснить, почему одни массивные звезды заканчивают жизнь драматичным взрывом, а другие коллапсируют тихо.

Это только начало истории, — говорит Кишалай Де, ведущий автор исследования из Института Флэтайрон. — Свет от пылевых обломков вокруг новорожденной черной дыры будет виден десятилетиями для таких телескопов, как James Webb, потому что он будет очень медленно затухать. И это может стать эталоном для понимания того, как звездные черные дыры формируются во Вселенной.

Звезда, известная как M31-2014-DS1, находилась примерно в 2,5 миллионах световых лет от нас в галактике Андромеды. Де и его коллеги проанализировали данные, собранные с 2005 по 2023 год миссией NASA NEOWISE и другими телескопами. Они обнаружили, что звезда начала ярче светиться в инфракрасном диапазоне в 2014 году, а в 2016-м ее яркость резко упала менее чем за год.

К 2022-2023 годам звезда почти исчезла в видимом и ближнем инфракрасном свете, потускнев до одной десятитысячной от прежней яркости. Теперь ее можно обнаружить только в среднем инфракрасном диапазоне, где она светится примерно с одной десятой первоначальной интенсивности.

Эта звезда была одной из самых ярких в галактике Андромеды, а теперь ее нигде не видно, — говорит Де. — Представьте, если бы Бетельгейзе внезапно исчезла. Все бы сошли с ума! То же самое произошло с этой звездой в Андромеде.

Сравнив наблюдения с теоретическими предсказаниями, команда пришла к выводу, что такое экстремальное падение яркости явно указывает на коллапс ядра звезды и образование черной дыры.

Исследование также помогло пересмотреть другой похожий объект, NGC 6946-BH1, обнаруженный десять лет назад. Повторный анализ обоих случаев выявил ключевой недостающий элемент в понимании судьбы внешних слоев звезды после «неудавшейся» сверхновой. Этим элементом оказалась конвекция.

Когда ядро коллапсирует, внешний газ продолжает движение из-за этого перемешивания. Согласно моделям, разработанным в Институте Флэтайрон, это движение мешает большей части внешнего вещества сразу упасть в черную дыру. Вместо этого часть внутренних слоев вращается вокруг черной дыры, а самые внешние слои выталкиваются наружу.

Скорость аккреции — падения вещества — гораздо медленнее, чем если бы звезда коллапсировала прямо внутрь, — поясняет соавтор работы Андреа Антони. — Это конвекционное вещество обладает угловым моментом, поэтому оно движется по орбите вокруг черной дыры. Вместо того чтобы упасть за месяцы или год, это занимает десятилетия. Из-за этого источник становится ярче, и мы наблюдаем длительную задержку в потускнении исходной звезды.

Исследователи подсчитали, что лишь около одного процента первоначальной внешней оболочки звезды в итоге питает черную дыру, производя слабый свет, который наблюдается до сих пор.

ИИ: Это открытие кардинально меняет наше понимание финала жизни массивных звезд. Оказывается, многие из них могут тихо исчезать, превращаясь в черные дыры, без грандиозных взрывов. Это объясняет, почему астрономы иногда не могут найти следы сверхновых от предсказанных звезд-предшественников. Теперь, с помощью JWST, мы сможем найти и изучить десятки таких «тихих» черных дыр, формирующихся прямо сейчас в соседних галактиках.