03.03.2026. - Узнали, как звезда коллапсирует в черную дыру

Узнали, как звезда коллапсирует в черную дыру

Астрономы наблюдали, как умирающая звезда не взорвалась как сверхновая, а вместо этого коллапсировала в черную дыру. Это замечательное наблюдение является наиболее полной из когда-либо сделанных записей наблюдений за превращением звезды в черную дыру, что позволяет астрономам составить полную физическую картину этого процесса.

Объединив недавние наблюдения за звездой с более чем десятилетними архивными данными, астрономы подтвердили и уточнили теоретические модели того, как такие массивные звезды превращаются в черные дыры. Команда обнаружила, что звезда не взорвалась как сверхновая в конце своей жизни; вместо этого ядро звезды сжалось в черную дыру, медленно вытесняя при этом свои турбулентные внешние слои.

Результаты, опубликованные в журнале Science, уже вызывают восхищение, поскольку это редкий взгляд на таинственное происхождение черных дыр. Открытие поможет объяснить, почему некоторые массивные звезды при смерти превращаются в черные дыры, а другие - нет.

"Это только начало истории", - говорит Кишалай Де, младший научный сотрудник Института Флэтайрон при Фонде Саймонса и ведущий автор нового исследования.

По его словам, свет от пылевых обломков, окружающих новорожденную черную дыру, "будет виден в течение десятилетий на уровне чувствительности телескопов, таких как космический телескоп Джеймса Уэбба, потому что он будет продолжать исчезать очень медленно. И это может в конечном итоге стать отправной точкой для понимания того, как во Вселенной образуются звездные черные дыры".

Ныне покойная звезда, называемая M31-2014-DS1, находится примерно в 2,5 миллионах световых лет от Земли в соседней галактике Андромеды. Де и его коллеги проанализировали результаты измерений звезды с помощью проекта НАСА NEOWISE и других наземных и космических телескопов за период с 2005 по 2023 год.

Они обнаружили, что инфракрасное излучение M31-2014-DS1 начало усиливаться в 2014 году. Затем, в 2016 году, звезда быстро потускнела намного ниже своей первоначальной яркости, всего за год.

Наблюдения, проведенные в 2022 и 2023 годах, показали, что звезда практически исчезла в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, став на одну десятитысячную ярче в этих длинах волн. Ее остатки теперь можно обнаружить только в среднем инфракрасном диапазоне, где она светит лишь в одну десятую ярче, чем раньше.

Де говорит: "Раньше эта звезда была одной из самых ярких в галактике Андромеды, а теперь ее нигде не было видно. Представьте, если бы звезда Бетельгейзе внезапно исчезла. Все бы сошли с ума! То же самое происходило с этой звездой в галактике Андромеды."

Сравнивая эти наблюдения с теоретическими предсказаниями, исследователи пришли к выводу, что резкое угасание яркости звезды до такой малой доли от ее первоначальной общей яркости является убедительным доказательством того, что ее ядро разрушилось и превратилось в черную дыру.

Как умирают и коллапсируют массивные звезды

Звезды превращают водород в гелий в своих ядрах, и этот процесс создает внешнее давление, уравновешивающее постоянное внутреннее притяжение. Когда у массивной звезды, которая примерно в 10 или более раз тяжелее нашего Солнца, начинает заканчиваться топливо, баланс между внутренними и внешними силами нарушается. Гравитация начинает разрушать звезду, и ее ядро сначала разрушается, образуя в центре плотную нейтронную звезду.

Часто выброс нейтрино в этом процессе порождает мощную ударную волну, которая достаточно взрывоопасна, чтобы разрушить большую часть ядра и внешних слоев сверхновой. Однако, если ударная волна, вызванная нейтрино, не сможет вытолкнуть звездный материал наружу, теория давно предполагает, что большая часть звездного материала вместо этого упадет обратно в нейтронную звезду, образуя черную дыру.

"Мы уже почти 50 лет знаем о существовании черных дыр, - говорит Де, - но мы едва ли приблизились к пониманию того, какие звезды превращаются в черные дыры и как они это делают".

Скрытая роль конвекции

Наблюдения и анализ M31-2014-DS1 позволили команде по-новому интерпретировать наблюдения аналогичной звезды, NGC 6946-BH1. Это привело к важному прорыву в понимании того, что произошло с внешними слоями, которые окружали звезду после того, как она не смогла стать сверхновой и превратилась в черную дыру. Упущенный элемент? Конвекция.

Конвекция является побочным продуктом огромной разницы температур внутри звезды. Вещество вблизи центра звезды чрезвычайно горячее, в то время как внешние области намного холоднее. Эта разница заставляет газы внутри звезды перемещаться из более горячих областей в более холодные.

Когда ядро звезды коллапсирует, газ в ее внешних слоях все еще быстро перемещается из-за этой конвекции. Теоретические модели, разработанные астрономами из Института Флэтайрона, показали, что это предотвращает попадание большинства внешних слоев непосредственно внутрь; вместо этого самые внутренние слои вращаются по орбите за пределами черной дыры и способствуют выбросу самых внешних слоев конвективной области.

Выброшенный материал охлаждается по мере удаления от горячего материала вокруг черной дыры. Этот холодный материал легко образует пыль при соединении атомов и молекул. Пыль затемняет горячий газ, вращающийся вокруг черной дыры, нагревая пыль и вызывая заметное увеличение яркости в инфракрасном диапазоне длин волн. Это затянувшееся красное свечение видно в течение десятилетий после того, как сама звезда исчезнет.

Соавтор и научный сотрудник Flatiron Андреа Антони ранее разработал теоретические прогнозы для этих моделей конвекции. Имея поразительные данные наблюдений за M31-2014-DS1, она говорит: "Скорость аккреции — скорость падения материала — намного ниже, чем если бы звезда взорвалась непосредственно внутри. Это конвективное вещество обладает угловым моментом, поэтому оно обращается по кругу вокруг черной дыры. Вместо месяцев или года, чтобы попасть внутрь, требуются десятилетия. И из-за всего этого она становится более ярким источником, чем была бы в противном случае, и мы наблюдаем длительную задержку в затемнении исходной звезды".

Подобно тому, как вода закручивается вокруг сливного отверстия в ванне, а не течет прямо вниз, газ, движущийся вокруг этой недавно образовавшейся черной дыры, продолжает двигаться по своей хаотической орбите, даже когда его медленно втягивают внутрь.

Таким образом, приостановленное падение, вызванное конвекцией, предотвращает коллапс всей звезды непосредственно в новорожденную черную дыру. Вместо этого исследователи предполагают, что даже после того, как ядро быстро взорвется, часть вытекающего материала медленно возвращается обратно в течение многих десятилетий.

По оценкам исследователей, в черную дыру попадает только около 1% исходного газа, из которого состоит звездная оболочка, питая свет, исходящий от нее сегодня.

Растет число неудавшихся вспышек сверхновых

Анализируя данные наблюдений за M31-2014-DS1, Де и его команда также провели переоценку аналогичной звезды, NGC 6946-BH1, которая была классифицирована 10 лет назад. В новой статье они приводят поразительные доказательства, объясняющие, почему эта звезда следовала подобному образцу. По словам Де, M31-2014-DS1 изначально выделялась как "необычная", но теперь она, по—видимому, является всего лишь одним из представителей класса объектов, включая NGC 6946-BH1.

"Только с помощью этих отдельных находок мы начинаем составлять общую картину, подобную этой", - говорит Де.

Источник