|
Черные дыры вызывают вспышки в триллионы солнц
|
|
|
|
Сверхмассивные черные дыры - одни из самых загадочных объектов во Вселенной. Обычно они в миллионы и даже миллиарды раз превышают массу Солнца и находятся в центрах большинства крупных галактик. В центре Млечного Пути находится Стрелец А*, сверхмассивная черная дыра нашей галактики, масса которой составляет около четырех миллионов солнц. Но эти черные дыры не излучают свет, поэтому астрономы могут обнаружить их только косвенно, по их воздействию на близлежащие звезды и газ.
|
|
|
|
В исследовании, опубликованном в Astrophysical Journal Letters, Эрик Кофлин, доцент кафедры физики Колледжа искусств и наук Сиракузского университета, и его коллеги выясняют, что происходит, когда звезда приближается слишком близко к одной из этих черных дыр и разрывается на части.
|
|
Когда черные дыры захватывают звезды
|
|
|
|
Звезда, "поглощенная" сверхмассивной черной дырой, не исчезает в одночасье. Вместо этого гравитация черной дыры превращает звезду в длинный тонкий поток обломков. Со временем поток обломков обтекает черную дыру — эффект, который в конечном счете вытекает из общей теории относительности Эйнштейна; гравитация, согласно Ньютону, не создает такого эффекта. Когда части этого циркулирующего потока сталкиваются друг с другом, они высвобождают энергию и затем сливаются (медленно закручиваются в спираль) в черную дыру. Оба этих эффекта — первоначальное столкновение и последующая аккреция — приводят к появлению такого количества излучения, что на короткое время затмевают всю галактику, в которой они происходят (при этом их яркость равна освещенности примерно одного триллиона солнц).
|
|
|
|
|
|
|
Астрономы называют эти события приливными разрушениями (TDE). TDE предлагают один из немногих способов изучения сверхмассивных черных дыр, подобных знаку Стрельца A*, в других галактиках.
|
|
|
|
"Мы можем изучать приливные явления, чтобы узнать больше о черных дырах, скрытых от глаз", - говорит Кофлин.
|
|
|
|
В течение многих лет TDE привлекали исследователей, потому что каждая из этих мощных вспышек похожа на отпечаток пальца. Измеряя, как вспышка разгорается, достигает максимума и затухает, ученые могут определить свойства черной дыры, которая ее породила, включая ее массу и, возможно, вращение. Но детали того, как образуются эти вспышки, по-прежнему трудно определить, отчасти потому, что этот процесс трудно точно смоделировать.
|
|
|
|
Ясно видны обломки
|
|
|
|
Именно здесь новые модели с высоким разрешением меняют картину. В недавней работе группы ученых под руководством Лусио Майера из Цюрихского университета, включая Кофлина, используется методология, известная как гидродинамика сглаженных частиц, которая разлагает звезду на "частицы", которые взаимодействуют друг с другом гидродинамически (то есть в соответствии с уравнениями Навье-Стокса — теми же фундаментальными уравнениями, которые управляют потоком подача воды по трубе).
|
|
|
|
В их исследовании использовались десятки миллиардов частиц, чтобы смоделировать газ разрушенной звезды с беспрецедентной детализацией. В результате мы получили превосходное представление о том, что происходит после того, как звезда распадается на части. Вместо того чтобы рассеиваться хаотично, обломки образуют узкий, последовательный поток, который движется по предсказуемой траектории вокруг черной дыры, прежде чем врезаться в нее саму.
|
|
|
|
Их открытие подтверждает давнее теоретическое предсказание. Более ранние модели часто неверно описывали структуру потока, поскольку им не хватало разрешения для фиксации таких мелких деталей, что приводило к "разбрызгиванию" звездного мусора и неожиданно высокому уровню гидродинамической диссипации. Благодаря гораздо большему количеству частиц и использованию графических процессоров на мощных суперкомпьютерах, форму обломков становится намного легче увидеть.
|
|
|
|
Но новые модели также показывают кое-что еще.
|
|
|
|
Коэффициент вращения
|
|
|
|
Три свойства сверхмассивной черной дыры и орбиты звезды могут влиять на результат данного TDE: масса черной дыры, скорость ее "вращения" и ориентация этого вращения относительно плоскости орбиты приближающихся обломков. Вместе они могут определить, когда начинается вспышка, насколько яркой она становится и как долго длится.
|
|
|
|
Если черная дыра вращается, это вызывает дополнительные изменения в пространстве-времени вокруг нее по сравнению с не вращающейся черной дырой и создает эффект, известный как узловая прецессия. Этот эффект может привести к смещению потока обломков из его первоначальной плоскости, что означает, что после одного витка поток может разминуться с самим собой, затем снова разминуться, прежде чем окончательно столкнуться. В некоторых случаях вспышка может задерживаться на несколько витков вокруг черной дыры.
|
|
|
|
Это усложнение может помочь объяснить одну из главных загадок исследований TDE. Нет двух абсолютно одинаковых явлений. Некоторые из них возникают быстро и быстро исчезают. Другие развиваются медленнее. Некоторые из них ярче, некоторые тусклее. Некоторые из них ведут себя так, что их до сих пор трудно классифицировать. Хотя некоторые из этих различий могут быть объяснены различиями в массе черной дыры, эти новые расчеты показывают, что вращение черной дыры может быть одной из ключевых причин такого разнообразия.
|
|
|
|
TDE превращают невидимые объекты в читаемые сигналы. Звезда распадается на части, осколки сталкиваются, появляется свет и обнаруживается ранее скрытая черная дыра. Благодаря более качественному моделированию и более мощным телескопам астрономы учатся считывать эти сигналы более четко, чем когда-либо прежде.
|
|
|
|
Источник
|
