|
Что происходит со звездой, захватившей черную дыру
|
|
|
|
Мы не знаем, существуют ли теоретические первичные черные дыры (ПЧД). Если они существуют, то образовались в самой ранней Вселенной, когда физика была совсем другой. У них не было звездных предшественников, и они были созданы в результате прямого коллапса плотно упакованной субатомной материи. Теоретики задавались вопросом, могут ли ПЧД быть темной материей или компонентом темной материи.
|
|
|
|
Размер этих гипотетических объектов является предметом дискуссий, но, по некоторым оценкам, ПЧД находятся в диапазоне размеров астероидов, достаточно малых, чтобы быть поглощенными звездами. Как это могло бы происходить, и что бы случилось со звездами? Как это можно было бы обнаружить?
|
|
|
|
Новое исследование посвящено этому вопросу. Оно называется «Жизнь и смерть звезд, захватывающих первичные черные дыры» и доступно на сервере препринтов arXiv. Ведущий автор исследования — Оре Готтлиб из Департамента физики и Института астрофизики и космических исследований Кавли при Массачусетском технологическом институте.
|
|
|
|
Существуют разные точки зрения на массу первичных черных дыр (ПЧД) в зависимости от их вклада в темную материю. Один результат утверждает, что они должны иметь звездные массы или больше, в то время как другой говорит, что они должны быть намного меньше. Между этими диапазонами находится золотая середина, где ПЧД могут иметь размеры от астероида до Луны.
|
|
|
|
|
|
|
«Звезды предоставляют качественно иной и дополнительный инструмент для исследования этого оставшегося параметрического пространства», — пишут авторы. «Если ПЧД составляют значительную долю темной материи, то их плотность в галактической среде будет значительно выше, чем у черных дыр звездного происхождения, что подразумевает частые тесные сближения со звездами, делая захват звездными системами правдоподобным результатом».
|
|
|
|
Готлиб и его коллеги хотели проверить эту идею.
|
|
|
|
|
|
«Мы разработали первую глобальную модель эволюции звёзд, захватывающих первичные черные дыры», — пишут они, добавляя, что их модель включает в себя модели звёздной эволюции и трёхмерные магнитогидродинамические симуляции.
|
|
|
|
Первое, что они обнаружили, это то, что захват первичных черных дыр звездой гораздо более вероятен в трёхчастичной системе.
|
|
|
|
«Мы обнаружили, что прямой однократный захват первичных черных дыр массой от астероида до сублунной за счёт динамического трения внутри звезды крайне редок», — пишут они. «В отличие от этого, трёхчастичные взаимодействия с планетарными компаньонами обеспечивают жизнеспособный канал для захвата на связанные, пересекающие звёздные орбиты, за которым следует сближение посредством многократных диссипативных звёздных транзитов».
|
|
|
|
Когда звезда захватывает первичную черную дыру, она находит путь к звёздному ядру. Оказавшись там, она аккрецирует материал из недр звезды, оказывая драматическое влияние на её эволюцию.
|
|
|
|
«Полученный объект, „звезда Хокинга“, представляет собой естественную лабораторию для изучения роста и обратной связи первичных черных дыр, внедренных в плотную вращающуюся среду», — объясняют авторы.
|
|
|
|
Что происходит после того, как первичная черная дыра достигает центра звезды, зависит от аккреции и обратной связи.
|
|
|
|
После поглощения существуют два расходящихся пути, и оба являются конечными. В первом случае первичная черная дыра находит путь к центру звезды и аккрецирует звездное вещество со скоростью, сравнимой со скоростью Бонди. Это формирует аккреционный диск и генерирует обратную связь, которая обрекает звезду на разрушение.
|
|
|
|
В этом случае «дисковые ветры и релятивистские струи могут разрушить звезду, создав взрывной транзиент типа звезды Хокинга, питаемый быстро вращающейся первичной черной дырой», — объясняют авторы.
|
|
|
|
Если обратная связь замедляет аккрецию диска, то звезда может существовать в квазистационарном состоянии, изменяя свою светимость, время жизни и внутреннюю структуру, не будучи быстро разрушенной. В результате остается «первичная черная дыра с массой порядка поглощенной звездной массы и практически полным отсутствием яркого излучения, генерируемого диском», — пишут авторы.
|
|
|
|
Все дело в формировании диска, которое в значительной степени определяется угловым моментом. Выше определенного порога аккреция происходит быстро, и мощная обратная связь разрушает звезду. Если аккреция медленная и стабильная, звезда Хокинга может выжить.
|
|
|
|
«Формирование диска — это точка невозврата», — пишут авторы.
|
|
|
|
Когда дисковые ветры и релятивистские струи из диска становятся достаточно мощными, они разрушают звезду в течение нескольких минут.
|
|
|
|
Это означает, что существуют две ветви: взрывная ветвь и спокойная конечная ветвь. Эти два случая приводят к различным наблюдательным возможностям.
|
|
|
|
«Наши результаты имеют важные наблюдательные последствия как в электромагнитном, так и в гравитационно-волновом диапазонах», — пишут исследователи.
|
|
|
|
«Ожидается, что электромагнитный аналог взрывной ветви будет многокомпонентным», — объясняют авторы. Он будет характеризоваться рентгеновской вспышкой, за которой последует быстрый переходный процесс охлаждения в ультрафиолетовом/синем диапазоне, который может длиться до одного дня. Если произойдет выброс релятивистского джета, он может создать сигнал, подобный гамма-всплеску низкой светимости, длящемуся около минуты. За этим последует синхротронное послесвечение.
|
|
|
|
Это похоже на то, как может выглядеть сверхновая, но авторы объясняют, что «эти взрывы не имеют общих предшественников, временных масштабов или радиоактивных хвостов со сверхновыми, возникающими при коллапсе ядра».
|
|
|
|
Спокойная конечная ветвь потенциально производит гравитационные волны (ГВ). В то время как взрывная ветвь оставляет после себя маломассивную, быстро вращающуюся черную дыру, «спокойная ветвь оставляет остаток с массой порядка массы поглощенной звезды», — пишут исследователи.
|
|
|
|
«Любое будущее обнаружение ГВ в компактной двойной системе, содержащей субсолнечную или иным образом аномальную маломассивную черную дыру, станет ярким свидетельством нестандартного формирования компактных объектов».
|
|
|
|
Остатки обеих ветвей являются ценными зондами для изучения первичных черных дыр.
|
|
|
|
«Их скорости, окружение и электромагнитные сигнатуры могут ограничить вклад первичных черных дыр в темную материю», — пишут авторы.
|
|
|
|
Системы, которые спокойно поглощают звезду, оставляют после себя более массивные остатки, в то время как взрывная ветвь оставляет после себя черные дыры с быстрым вращением и субсолнечными массами.
|
|
|
|
Хотя спокойная конечная ветвь потенциально может порождать гравитационные волны в будущем, это не самый плодотворный способ их поиска, поскольку слияния, приводящие к их образованию, вряд ли будут частыми.
|
|
|
|
«Ключевым наблюдаемым параметром является, следовательно, то, как популяция звезд Хокинга разделяется между спокойным и взрывным развитием», — объясняют авторы, и это зависит от массы звезды, массы черной дыры, возраста захвата и архитектуры компаньона.
|
|
|
|
Вокруг этого вопроса много вопросов, и авторы признают, что почти каждый этап, который они описали, может послужить основой для более целенаправленных исследований. Захват черной дыры, обратная связь внутри звезд и все остальное должны стать предметом их собственных исследований.
|
|
|
|
«В этом смысле настоящую работу следует рассматривать как дорожную карту: она определяет ключевые узкие места и точки бифуркации, которые определяют, умирают ли звезды Хокинга спокойно, взрываются электромагнитным путем или оставляют после себя маломассивные, высокоспиновые компактные остатки», — заключают авторы.
|
|
|
|
Источник
|
