Ученые из МФТИ, Оксфордского университета и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН оценили, сколько звёзд разрушается при слиянии двух галактик, в центрах которых находятся сверхмассивные черные дыры. Астрофизики проверили, могут ли гравитационные эффекты двух сближающихся черных дыр объяснить, почему наблюдаемое значение темпа захвата звезд меньше, чем полученное из простейшей теоретической модели. В статье, опубликованной в The Astrophysical Journal, исследователи оценили взаимное влияние динамических механизмов на темп захвата звезд. (Спойлер: продвинутая теоретическая модель дала еще большее расхождение с наблюдениями, и авторы выдвинули гипотезу о том, что разрушение звезд в центрах галактик может происходить незаметно для нас.)
Захват звезд
Разрушение звезды приливными силами. Вещество звезды падает на черную дыру и излучает рентгеновские лучи. Ниже представлены данные с трёх телескопов (по оси Y — яркость рентгеновских лучей, по оси X — длина волны). Источник: NASA/CXC/U. Michigan/J. Miller et al.; Illustration: NASA/CXC/M. Weiss
События приливного разрушения звезд, или TDE (англ. tidal disruption event), — единственный доступный на сегодняшний день способ получить какую-то информацию из неактивных центров галактик. В центре большинства галактик находится как минимум одна сверхмассивная черная дыра, которую окружает плотное центральное звездное скопление — ядро галактики. Черная дыра на то и черная, что она не излучает. Зато излучает вещество, которое во время падения на сверхмассивный объект нагревается до очень высоких температур и которое можно «увидеть» с помощью телескопов. В активных галактиках есть газовые скопления, которые питают чёрную дыру и тем самым позволяют ее заметить. Однако большая часть галактик (около 90%) «молчит», потому что в них нет газовых скоплений. Единственный источник вещества для черной дыры — это звезды, которые периодически оказываются слишком близко к ней. Когда такая «неосторожная» звезда разрушается приливными силами, астрономы фиксируют событие приливного разрушения (TDE). На данный момент зафиксировано всего около пятидесяти вспышек от TDE, а в среднем на одну галактику одна звезда разрушается раз в 10–100 тыс. лет. На основании этих данных учёные пытаются построить достоверную модель того, что происходит в неактивных центрах галактик.
Смоделированное разрушение звезды можно посмотреть по ссылке.
Сферическая галактика в вакууме
Самая простая теоретическая модель — галактика со сферическим ядром, в центре которого находится сверхмассивная черная дыра. Вокруг нее вращаются звезды, которые диффундируют в пространстве скоростей, иными словами, меняют направление своего движения при прохождении вблизи друг от друга, подобно тому, как меняют свою траекторию бильярдные шары при столкновении. Но если бильярдный шар, чтобы попасть в лузу, должен двигаться прямо по направлению к ней, то у звезды более широкий диапазон направлений: ее вектор скорости должен находиться в пределах так называемого конуса потерь, тогда она будет захвачена и разрушена гравитацией черной дыры. В соответствии с этой простейшей моделью захват звезд должен происходить примерно раз в 1–10 тыс. лет, то есть несколько чаще, чем он наблюдается. Эта модель дополняется с учетом разных факторов, например неодинаковости масс звезд, но все они только увеличивают темп захвата.
Звезда, скорость которой оказалась в «конусе потерь». ЧД — черная дыра; rзахв — радиус захвата. Источник: сайт авторов с ПО для расчетов
Эффект рогатки
На данный момент в научной литературе обсуждался лишь один механизм, который может уменьшить темп захвата звезд — если большинство звезд с малым моментом импульса исчезнет. Это можно представить на примере диффузии газа. Пусть хаотично движущиеся молекулы газа поглощаются на стенке сосуда. Тогда если убрать ближайшие к стенке ряды молекул, количество поглощаемых молекул за единицу времени уменьшится, так как дальним молекулам еще нужно добраться до стенки. Так же и с черной дырой: если убрать звезды из центра, темп захвата уменьшится. Звезды, конечно, нельзя просто так взять и убрать, но если в центре галактики находится двойная черная дыра, то налетающая на нее звезда может быть выкинута за пределы галактики, совершив так называемый гравитационный маневр. Другое название этого явления — эффект рогатки.
По закону сохранения энергии, когда звезда получает ускорение, то есть добавку к своей кинетической энергии, энергия двойной черной дыры должна уменьшиться. В результате черные дыры становятся ближе друг к другу, таким образом начиная сливаться. И, как подтверждено недавним сенсационным открытием, на последних этапах слияния черных дыр часть энергии излучается в виде гравитационных волн.
Слияние черных дыр. Inspiral — начальная стадия, во время которой черные дыры вращаются вокруг общего центра масс и постепенно приближаются друг к другу. Merger — непосредственно само слияние, во время которого испускаются гравитационные волны (ниже показана их регистрация). Ringdown — финальная стадия, одиночная черная дыра. Источник: LIGO, NSF, Aurore Simonnet (Sonoma State U.)
Несферическая галактика в вакууме
Хотя при слиянии галактик темп захвата может уменьшаться, одновременно с этим наблюдается и противоположный эффект. Ядро любой галактики, которая возникла в результате слияния, немного отличается от сферы. В несферическом ядре звёзды сильнее перемешиваются, поэтому больше звездных орбит пролегает возле черной дыры. Из-за слияния темп захвата будет увеличиваться, хотя эффект рогатки должен его уменьшать. Чтобы понять, как эти противоположные эффекты повлияют на темп захвата, выпускники МФТИ Кирилл Лежнин и Евгений Васильев провели расчеты, а также посмотрели, как меняется темп захвата при разных массах центральной черной дыры, при разных геометриях центральных скоплений, при разных начальных условиях.
Столкновение двух галактик на примере нашего Млечного Пути и Андромеды (компьютерная симуляция) смотрите по ссылке.
Больше разрушений!
Разрушение звезды приливными силами вблизи черной дыры. Источник: NASA/CXC/M.Weiss; X-ray: NASA/CXC/MPE/S.Komossa et al.; Optical: ESO/MPE/S.Komossa
Оказалось, что удаление звезд из центра гравитационным маневром имеет значение только для « сферической галактики в вакууме», однако при слиянии галактик будет иметь место хотя бы малая несферичность. В итоге разрушению должна подвергнуться в среднем одна звезда за 10 тыс. лет. С одной стороны, это согласуется с предыдущими результатами теоретических расчетов, а с другой — поднимает вопрос о том, почему наблюдаемый темп событий приливного разрушения ниже, чем предсказывают теоретические модели.
Кирилл Лежнин, автор статьи, сотрудник лаборатории астрофизики и физики нелинейных процессов МФТИ, комментирует: «Как мы показали, наблюдаемый низкий темп захвата нельзя объяснить с помощью эффекта рогатки. Значит, нужно искать механизм, выходящий за пределы изучения звёздной динамики. Возможно, событий приливного разрушения происходит столько, сколько мы посчитали. Тогда надо думать, почему мы их можем не видеть».
