Спостереження формування чорної діри без вибуху наднової
Астрономи безпосередньо спостерігали, як масивна вмираюча зірка пропускає вибух наднової та замість цього колапсує в чорну діру. Ця подія надає найдетальніший набір спостережень, коли-небудь зібраний за зіркою, яка здійснює цей перехід, даючи дослідникам надзвичайно повне уявлення про те, як формуються зоряні чорні діри.
Публікація дослідження у журналі Science
Поєднуючи нові дані телескопів з більш ніж десятиліттям архівних спостережень, вчені змогли перевірити та уточнити давні теорії про те, як наймасивніші зірки закінчують своє життя. Замість того, щоб вибухнути назовні в яскравій надновій, ядро цієї зірки руйнувалося під дією сили тяжіння та утворювало чорну діру. У процесі її нестабільні зовнішні шари поступово виштовхувалися назовні.
Висновки, опубліковані 12 лютого в журналі Science, привертають увагу, оскільки вони пропонують рідкісний погляд на народження чорної діри. Результати можуть допомогти пояснити, чому деякі масивні зірки різко вибухають наприкінці свого життя, а інші колапсують тихо.
«Це лише початок історії», — каже Кішалай Де, науковий співробітник Інституту Флатірон Фонду Саймонса та провідний автор нового дослідження. Світло від пилових уламків, що оточують новонароджену чорну діру, каже він, «буде видно протягом десятиліть на рівні чутливості телескопів, таких як космічний телескоп Джеймса Вебба, оскільки воно продовжуватиме дуже повільно згасати. І це може стати орієнтиром для розуміння того, як у Всесвіті формуються зоряні чорні діри».
Зникнення зірки M31-2014-DS1 в Андромеді
Зірка, відома як M31-2014-DS1, знаходилася приблизно за 2,5 мільйона світлових років від нас у галактиці Андромеди. Де та його колеги дослідили дані, зібрані між 2005 і 2023 роками місією NASA NEOWISE разом з іншими наземними та космічними телескопами. Вони виявили, що зірка почала яскравішати в інфрачервоному світлі у 2014 році. Потім, у 2016 році, її яскравість різко впала менш ніж за рік.
До 2022 та 2023 років зірка майже зникла у видимому та ближньому інфрачервоному діапазонах, втративши лише одну десятитисячну від своєї колишньої яскравості в цих діапазонах. Те, що залишилося, зараз можна виявити лише в середньому інфрачервоному світлі, де воно світиться приблизно в десяту частину своєї початкової інтенсивності.
Де каже: «Ця зірка колись була однією з найяскравіших зірок у галактиці Андромеди, а тепер її ніде не видно. Уявіть, якби зірка Бетельгейзе раптово зникла. Усі б збожеволіли! Те саме відбувалося з цією зіркою в галактиці Андромеди».
Коли команда порівняла спостереження з теоретичними прогнозами, вони дійшли висновку, що таке екстремальне падіння яскравості переконливо вказує на те, що ядро зірки стиснулося та утворило чорну діру.
Чому деякі масивні зірки не вибухають як наднові
Зірки світять, тому що ядерний синтез у їхніх ядрах перетворює водень на гелій, створюючи зовнішній тиск, який протидіє гравітації. У зірках, щонайменше в 10 разів масивніші за наше Сонце, цей баланс зрештою порушується, коли ядерне паливо закінчується. Потім гравітація пересилює зовнішній тиск, що призводить до колапсу ядра та утворення щільної нейтронної зірки.
У багатьох випадках потік нейтрино, що вивільняються під час цього колапсу, генерує потужну ударну хвилю, яка розриває зірку на частини у вигляді наднової. Але якщо ця ударна хвиля занадто слабка, щоб викинути навколишній матеріал, більша частина зірки може впасти назад всередину. Теоретичні моделі давно припускають, що це падіння може перетворити нейтронну зірку на чорну діру.
«Ми вже майже 50 років знаємо, що існують чорні діри», — каже Де, — «проте ми ледве знайомі з тим, які зірки перетворюються на чорні діри та як вони це роблять».
Роль конвекції у формуванні чорної діри
Детальніше дослідження M31-2014-DS1 також допомогло дослідникам повернутися до подібного об’єкта, NGC 6946-BH1, який був ідентифікований десять років тому. Повторний аналіз обох випадків виявив ключовий відсутній інгредієнт для розуміння того, що відбувається із зовнішніми шарами зірки після невдалої наднової. Відповідь криється в конвекції.
Конвекція виникає через велику різницю температур всередині зірки. Ядро надзвичайно гаряче, тоді як зовнішні шари набагато холодніші. Цей контраст змушує газ циркулювати між гарячішими та холоднішими областями.
Коли ядро стискається, зовнішній газ все ще рухається через цей процес перемішування. Згідно з моделями, розробленими в Інституті Флатірон, цей рух запобігає потраплянню більшої частини зовнішнього матеріалу прямо в чорну діру. Натомість деякі внутрішні шари оточують чорну діру, тоді як зовнішні шари виштовхуються назовні.
Тривале інфрачервоне сяйво після колапсу
Коли викинутий матеріал віддаляється, він охолоджується. За нижчих температур атоми та молекули об’єднуються, утворюючи пил. Цей пил блокує світло від гарячішого газу ближче до чорної діри, поглинає енергію та повторно випромінює її в інфрачервоному діапазоні довжин хвиль. Результатом є тривале червонувате сяйво, яке може тривати десятиліттями після зникнення початкової зірки.
Співавторка та наукова співробітниця Flatiron Андреа Антоні розробила теоретичну основу цих моделей конвекції. Спираючись на нові спостереження, вона каже, що «швидкість акреції – швидкість падіння матеріалу – набагато нижча, ніж якби зірка імплодувала безпосередньо. Цей конвективний матеріал має кутовий момент, тому він обертається навколо чорної діри. Замість того, щоб падіння займало місяці чи рік, це займає десятиліття. І через усе це він стає яскравішим джерелом, ніж було б інакше, і ми спостерігаємо тривалу затримку в затемненні початкової зірки».
Подібно до того, як вода стікає по спіралі в каналізацію, а не падає прямо крізь неї, газ продовжує обертатися навколо новоутвореної чорної діри, оскільки гравітація поступово притягує його всередину. Це затримка падіння означає, що вся зірка не руйнується одразу. Навіть після того, як ядро швидко руйнується, частина матеріалу повільно відступає протягом багатьох десятиліть.
Дослідники підрахували, що лише близько одного відсотка початкової зовнішньої оболонки зірки зрештою живить чорну діру, створюючи слабке світло, яке спостерігається й сьогодні.
Невдалі наднові як нова категорія формування чорних дір
Аналізуючи M31-2014-DS1, команда також повторно дослідила NGC 6946-BH1. Нове дослідження надає вагомі докази того, що обидві зірки рухалися подібним шляхом. Те, що спочатку здавалося незвичайним випадком, тепер виявляється частиною ширшої категорії невдалих наднових, які непомітно породжують чорні діри.
M31-2014-DS1 спочатку виділялася як «дивна», каже Де, але тепер вона здається одним із кількох прикладів, включаючи NGC 6946-BH1.
«Тільки з цими окремими перлинами відкриття ми починаємо складати таку картину», — каже Де.
Джерело: ScienceDaily
