Известно, что гигантские черные дыры в центрах галактик, подобных нашему Млечному Пути, время от времени поглощают близлежащие звезды. Это приводит к драматичному и сложному процессу, когда звезда, приближающаяся к сверхмассивной черной дыре, превращается в спагетти и разрывается на части. Возникающий в результате этого фейерверк известен как событие приливного разрушения.
В новом исследовании, опубликованном сегодня в Astrophysical Journal Letters, мы провели самое подробное на сегодняшний день моделирование того, как этот процесс развивается в течение года.
Черная дыра, разрывающая солнце на части
Американский астроном Джек Дж. Хиллс и британский астроном Мартин Рис впервые выдвинули теорию о разрушительных приливных явлениях в 1970-х и 80-х годах. Теория Риса предсказывала, что половина обломков звезды останется связанной с черной дырой, сталкиваясь сама с собой и образуя горячий, светящийся вихрь вещества, известный как аккреционный диск. Диск был бы настолько горячим, что испускал бы обильное количество рентгеновских лучей.
Но, к всеобщему удивлению, было обнаружено, что большинство из более чем 100 возможных случаев приливных разрушений, обнаруженных на сегодняшний день, светятся в основном в видимом диапазоне длин волн, а не в рентгеновских лучах. Наблюдаемая температура обломков составляет всего 10 000 градусов по Цельсию. Это похоже на поверхность умеренно теплой звезды, а не на миллионы градусов, ожидаемых от раскаленного газа вокруг сверхмассивной черной дыры.
Еще более странным является предполагаемый размер светящегося вещества вокруг черной дыры: оно в несколько раз больше нашей солнечной системы и быстро удаляется от черной дыры со скоростью в несколько процентов от скорости света.
Учитывая, что даже черная дыра массой в миллион солнечных масс лишь немного больше нашего Солнца, огромный размер светящегося шара из материала, полученный в результате наблюдений, стал полной неожиданностью.
Хотя астрофизики предположили, что черная дыра должна быть каким-то образом закрыта материалом во время разрушения, чтобы объяснить отсутствие рентгеновского излучения, на сегодняшний день никто не смог показать, как это происходит на самом деле. Вот тут-то и пригодились наши расчеты.
Чавканье и отрыжка
Черные дыры едят неаккуратно — в отличие от пятилетнего ребенка, который ест тарелку спагетти. Звезда изначально представляет собой компактное тело, но затем превращается в спагетти: под действием экстремальных потоков черной дыры растягивается в длинную тонкую нить.
Поскольку половина вещества из ныне разрушенной звезды попадает в черную дыру, только 1% из нее фактически поглощается. Остальное в конечном итоге выбрасывается из черной дыры в виде своего рода космической "отрыжки".
Моделировать приливные явления на компьютере сложно. Законы всемирного тяготения Ньютона не работают вблизи сверхмассивной черной дыры, поэтому приходится учитывать все странные и удивительные эффекты общей теории относительности Эйнштейна.
Но для этого и нужны аспиранты. Наш недавний выпускник Дэвид Липтай разработал новый метод моделирования по принципу Эйнштейна, который позволил команде экспериментировать, направляя ничего не подозревающие звезды в направлении ближайшей черной дыры. Вы даже можете сделать это самостоятельно.
Полученные в результате моделирования результаты, показанные на видео здесь, являются первыми, которые демонстрируют нарушения прилива на всем пути от прихлебывания до отрыжки.
Они наблюдают за спагеттификацией звезды до того момента, когда обломки падают обратно в черную дыру, а затем приближаются к ней, превращая поток в нечто вроде извивающегося садового шланга. Моделирование длится более года после первоначального погружения.
На то, чтобы запустить его на одном из самых мощных суперкомпьютеров Австралии, ушло больше года. Уменьшенная версия выглядит следующим образом:
Что мы обнаружили?
К нашему огромному удивлению, мы обнаружили, что 1% вещества, попадающего в черную дыру, выделяет так много тепла, что это приводит к чрезвычайно мощному и почти сферическому выбросу. (Примерно как в тот раз, когда вы съели слишком много карри, и во многом по той же причине.)
Черная дыра просто не может поглотить так много, поэтому то, что она не может поглотить, подавляет центральный двигатель и постепенно выбрасывается прочь.
При наблюдении в наши телескопы, результаты моделирования многое объясняют. Оказывается, предыдущие исследователи были правы насчет удушения. Это выглядит примерно так:
Новое моделирование показывает, почему приливные явления действительно выглядят как звезда размером с Солнечную систему, расширяющаяся со скоростью в несколько процентов от скорости света, питаемая энергией от черной дыры внутри. На самом деле, это можно даже назвать "солнцем из черной дыры".
