Астрофизики объяснили загадочное затухание вспышек от повторяющихся разрушений звезд черными дырами

Астрофизики из Сиракузского университета предложили новое объяснение тому, почему некоторые вспышки от повторяющихся приливных разрушений звезд сверхмассивными черными дырами со временем становятся все тусклее. Ключевым фактором, как выяснилось, может быть быстрое вращение звезды еще до ее первого сближения с черной дырой.

Считается, что в центре большинства галактик находятся сверхмассивные черные дыры, масса которых может в миллионы или даже миллиарды раз превышать массу Солнца. Когда звезда проходит слишком близко к такой дыре, она не всегда разрушается мгновенно. Некоторые звезды переживают первое сближение и возвращаются вновь, порождая новую вспышку света при каждом проходе. Такие события называют повторяющимися частичными приливными разрушениями (rpTDE).

Однако наблюдения показали, что в четырех из примерно десяти известных повторяющихся системах вспышки становятся не одинаковыми, а постепенно затухают. Долгое время теоретические модели не могли воспроизвести такое поведение.

Новое исследование, опубликованное в The Astrophysical Journal, предполагает, что разгадка кроется в скорости вращения звезды до ее первого сближения с черной дырой. Работа была проведена докторантом Ананьей Бандопадхьяй, постдокторантом Бенджамином Амендом и доцентом Эриком Кофлином при участии коллег из других учреждений.

В стандартном сценарии приливного разрушения (TDE) гравитация черной дыры настолько сильно различается между ближней и дальней сторонами звезды, что полностью разрывает ее. Обломки падают на черную дыру, выделяя свет в течение дней или месяцев. Но если звезда не пересекает порог полного разрушения, она теряет лишь часть массы, а ее выжившее ядро продолжает вращаться по орбите, возвращаясь для новых сближений.

Количество вещества, отрываемого от звезды, зависит от ее внутренней структуры. Бандопадхьяй сравнивает звезду малой массы с воздушным безе, которое становится все более уязвимым к приливным силам. Более массивная звезда, с концентрированным к центру веществом и луковичной внутренней структурой, теряет внешние слои, в то время как ее плотное ядро остается почти неизменным.

Предыдущие гидродинамические модели показали, что даже при уменьшении количества отрываемого материала пиковая яркость вспышек должна оставаться примерно одинаковой. Разгадка, как выяснилось, кроется во вращении. Приливные силы не только отрывают вещество, но и создают крутящий момент, раскручивая звезду после каждого сближения. Это ускоряет возврат оторванного материала к черной дыре, компенсируя его меньшее количество.

«Мы были озадачены этим в течение двух лет», — говорит Бандопадхьяй.

Чтобы воспроизвести наблюдаемое затухание, исследователям потребовался «новый ингредиент» — звезда, которая уже быстро вращалась до первой встречи с черной дырой. Такая звезда не может быть раскручена значительно сильнее при последующих проходах, поэтому время падения материала остается относительно постоянным, и с уменьшением отрываемой массы вспышки становятся тусклее.

Возникает вопрос: почему звезда, приближающаяся к сверхмассивной черной дыре, уже вращается так быстро? Ответ может дать механизм Хиллса. В этом сценарии две звезды, вращающиеся вокруг общего центра, подходят к черной дыре, которая разрывает их гравитацией. Одна звезда выбрасывается прочь, а вторая захватывается на орбиту вокруг черной дыры. Звезды в тесной двойной системе могут быть приливно синхронизированы, вращаясь с той же скоростью, с которой обращаются друг вокруг друга. Чем теснее пара, тем быстрее вращение. Для захвата звезды на короткую орбиту, наблюдаемую в rpTDE, исходная двойная система должна быть очень компактной, что как раз и обеспечивает быстрое вращение.

«Работа Ананьи демонстрирует, что каждая из этих особенностей может быть объяснена одним и тем же лежащим в основе явлением: приливным разрушением двойной системы и захватом одной из звезд. С теоретической точки зрения это крупный шаг вперед в нашем понимании физики этих систем», — говорит Кофлин.

Это открытие может иметь значение и для нашей галактики. Механизм Хиллса может объяснить происхождение некоторых звезд, вращающихся вокруг Стрельца А* — сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. Таким образом, тот же механизм, который объясняет затухающие вспышки rpTDE, может помочь астрономам понять необычные звездные популяции в «нашем собственном космологическом дворе».