ПопулярноеРедакцияСвежее
ЛучшееОбсуждаемое

Как чёрные дыры поглощают звёзды?

2
Обречённая звезда вплотную приближается к чёрной дыре. Экстремальные приливные силы, создаваемые монструозной гравитацией, разрывают светило на части. Изображение: Mark A. Garlick

Меня разбудило пришедшее на смартфон уведомление. Я проверяю его спросонья и быстро прихожу в себя – мне пришло автоматическое электронное письмо от радиотелескопа MeerKAT в Южной Африке.

В теме письма указано: «AT 2018xxx 2ч выполнен». Это значит, что пока я спала, MeerKAT в течение пары часов наблюдал за целью, и теперь, после небольшой первоначальной обработки, изображение доступно для меня в архиве. Всё, что мне остаётся сделать, находясь на другой стороне планеты – в Кембридже, штат Массачусетс – это зайти в интернет и скачать его.

Потенциальное научное открытие мотивирует меня больше, чем чашка кофе. Возможно, это как раз именно оно! Современному радиоастроному не нужно ехать в дальние страны для получения нужных данных, что, пожалуй, чуть менее романтично. Но трепет ожидания и сам факт обнаружения нового объекта остаются неизменными, где бы вы ни находились.

Я барабаню пальцами, ожидая, пока мой ноутбук загрузит изображение. Волнение всё нарастает. Я задаюсь вопросом, что же сейчас увижу. На этом участке неба довольно много звёзд и галактик, но это всего лишь ширма. Неопытный глаз не сможет увидеть «истинного сокровища»: крошечной коллекции незаметных пикселей в середине изображения. Это свет от «последнего вздоха» звезды, когда сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики агрессивно разрывает её на части и пожирает.

Такие явления называют событиями приливного разрушения, и они представляют собой одни из самых энергичных и ярких представлений во всей Вселенной. Но легко отыскать можно лишь немногие из них, а ещё меньшее количество излучают радиоволны, необходимые для анализа этого интересного феномена. Каждое такое открытие бесценно. И всего через несколько минут я стану единственным человеком на Земле, знающим, излучает ли этот источник радиосигнал. Я барабаню пальцами быстрее.

Радиотелескоп MeerKAT с 64 антеннами расположен вв Северо-Капской провинции ЮАР. Фото: South African Radio Astronomy Observatory (SARAO)

Раздираемая на части

Событие приливного разрушения берёт своё начало в самом сердце галактики, поблизости от сверхмассивной чёрной дыры в миллионы или даже миллиарды раз тяжелее Солнца. Сейчас астрономы полагают, что практически каждая большая галактика имеет в своём центре одну такую чёрную дыру. Эти гравитационные монстры играют ключевую роль в формировании своих галактик и оказывают огромное влияние на своё окружение.

Чёрные дыры, как известно, настолько плотны, что даже свет не способен спастись от их гравитации. Но вопреки бытующим представлениям, на самом деле они засасывают не больше вещества, чем Солнце пожирает вращающихся вокруг него планет. К примеру, если бы наша звезда внезапно коллапсировала в чёрную дыру, она уменьшилась бы до 6 километров в диаметре, но планеты продолжали бы вращаться по тем же орбитам, что и сейчас, потому что его масса не изменилась бы.

Точно так же работает и гравитация чёрной дыры. Когда астрономы смотрят в центр нашей собственной галактики, они видят более дюжины звёзд, вращающихся вокруг общей точки, где расположена сверхмассивная чёрная дыра, называемая Стрельцом A* (Sgr A*). Более того, астрономы так долго наблюдали за Стрельцом A*, что смогли увидеть, как самая внутренняя её звезда S2 совершает один полный оборот, на что уходит около 16 лет. Установив параметры её орбиты, исследователи применили третий закон движения планет Кеплера для расчёта массы чёрной дыры, которая оказалась эквивалентна колоссальному значению в 4 миллиона солнечных. Сами по себе расчёты были довольно простыми, в отличии от труда, затраченного на получение такого объёма данных в течение многих лет — фактически именно это и принесло астрономам Андрее Гез и Райнхарду Генцелю Нобелевскую премию по физике 2020 года.

Похоже, что S2 пока что находится на стабильной орбите, но по оценкам исследователей, вокруг Стрельца А* вращаются тысячи звёзд, в том числе такие объекты, как нейтронные звёзды и белые карлики. Когда два подобных объекта пролетают неподалёку от друг друга, их гравитация нарушает их собственные орбиты, и они направляются по новым траекториям. Большинство таких орбит остаются стабильными или, возможно, выбрасывают звезду от центра галактики. Но в редких случаях новая орбита звезды отправляет её прямо к неизбежной катастрофе – к чёрной дыре.

Приливные силы, действующие на звезду неподалёку от чёрной дыры, разрывают её на части в процессе, называемом спагеттификацией. Когда вещество отрывается от звезды, оно образует эффектные приливные хвосты и, в конечном итоге, аккреционный диск (внизу слева). Изображение: J. Guillochon | E. Ramirez-Ruiz

Когда обречённая звезда приближается к сверхмассивной чёрной дыре, на неё начинают воздействовать приливные силы. Поскольку с приближением к чёрной дыре гравитация возрастает, ближняя сторона звезды начинает притягиваться сильнее, чем дальняя. В конце концов, когда звезда достигает определённого от чёрной дыры расстояния — приливного радиуса — разница в воздействующих на её противоположные стороны силах становится больше, чем её собственная гравитация, позволяющая звезде оставаться единым целым.

Когда это происходит, «звезда растягивается в направлении своего движения», — объясняет Энрико Рамирес-Руис, астрофизик из Калифорнийского университета в Санта-Круз, специализирующийся на теории событий приливного разрушения. Звезда деформируется из своей обычной формы, сферы, в овал, а затем в длинную тонкую струю. Этот процесс называется спагеттификацией. При этом плотность звезды уменьшается, а синтез в её ядре полностью прекращается. Хотя формирование звезды занимает миллионы лет, а её жизнь течёт миллиарды, окончательный распад светила занимает всего несколько часов.

В поисках событий приливного разрушения

Что же происходит потом? «Половина вещества звезды падает на чёрную дыру, образуя вокруг неё аккреционный диск, — объясняет Рамирес-Руис, — а половина выбрасывается». Вещество, из которого состоит диск, притягивается чёрной дырой и питает её. В ходе этого процесса способная возникнуть вспышка, которую можно наблюдать на огромном расстоянии, прежде чем она ускользнёт за горизонт событий чёрной дыры (откуда свет уже более не способен выбраться).

На первый взгляд, эти ярчайшие события могут походить на сверхновые — массивные звёзды, взрывающиеся в конце своей жизни с истечением запасов топлива для термоядерных реакций. Чтобы различить их, астрономы обращают внимание на две вещи. Во-первых, они ищут яркую вспышку в центре галактики, сверхмассивная чёрная дыра которой ранее вела себя тихо. Затем они разбивают свет по длинам волн и изучают спектр, чтобы понять, какие химические элементы содержит его источник. В отличие от сверхновой, химические элементы, наблюдаемые во время события приливного разрушения, аналогичны элементам в звёздах главной последовательности, которые всё ещё поддерживают стабильный термоядерный синтез. И если вспышка соответствует обоим критериям, то это значит, что найдено потенциальное событие приливного разрушения!

Релятивистские джеты вырываются из сверхмассивной чёрной дыры в сердце галактики Центавр А. Изображение: ESA | Hubble, L. Calçada (ESO)

Астрономы заметили первые вероятные события приливного разрушения в 1990-х годах. В последние годы их поиск стал гораздо проще благодаря автоматическим телескопам, сканирующим ночное небо на предмет временных объектов — сигналов, которые меняются, а не остаются постоянными. Тем не менее, на сегодняшний день учёные смогли провести наблюдение только за сотней подобных феноменов.

Это всё потому, что они встречаются довольно редко. По оценкам астрономов, в галактике, подобной Млечному Пути, события приливного разрушения происходят не чаще одного раза в 100 000 лет.

Невероятная картина

Возможно, самое известное событие приливного разрушения на сегодняшний день произошло в 2011 году, когда при помощи обсерватории NASA Swift в центре удалённой от нас на 3,8 миллиарда световых лет галактики был обнаружен странный всплеск излучения. Обсерватория Swift была запущена в 2004 году для изучения гамма-всплесков — очень мощных всплесков излучения, которые происходят во время слияния сверхновых или нейтронных звёзд. Но в отличие от обычных всплесков, длящихся не более нескольких минут, этот попросту не заканчивался. «Это было не похоже на то, что мы видели раньше», — вспоминает Джошуа Блум, астроном из Калифорнийского университета в Беркли, который был ведущим исследователем этого сигнала.

Вскоре после того, как стало известно об этом событии, на Swift J1644+57 были направлены телескопы, работающие в самых разных диапазонах длин волн. Различные физические процессы порождают самые разные виды излучения, и часто ключ к разгадке астрономических тайн лежит именно в наблюдении как в можно большем диапазоне спектра.

Тонкий поток вещества от разрушенной приливным событием звезды втягивается в аккреционный диск близ чёрной дыры. Изображение: DESY, Science Communication Lab

Учёные стали свидетелями невероятной картины: событие приливного разрушения произошло вокруг ранее спящей чёрной дыры, и в ходе этого процесса каким-то образом возник джет из вещества, практически достигающего скорости света — настолько быстрого, что вступали в действие законы теории относительности. Этот релятивистский джет был направлен прямо на Землю, и астрономы смогли изучить его. «Это был один из тех немногих случаев в моей карьере астронома, когда меня действительно посетило озарение, и все маленькие детали потихоньку начали складываться в голове в единое целое, — вспоминает Блум. — Мы ещё не собрали воедино все кусочки пазла, однако наши наблюдения и теория начали гармонировать друг с другом».

Астрономы заметили последовательный рост и падение яркости события приливного разрушения в рентгеновских длинах волн. Они поняли, что это были вспышки, вызванные падением в чёрную дыру вещества, которое постоянно подпитывало джет. Другую важную информацию удалось получить после анализа радиоволн. Измеряя интенсивность сигнала на нескольких частотах, астрономы смогли извлечь много новых данных. У них получилось рассчитать энергию джета, а также радиус взрывной волны, генерирующей радиосигналы, и даже плотность вещества, через которое он прорывался. Наконец, оптические наблюдения подтвердили местонахождение самого источника: прямо в центре родительской галактики, где расположена сверхмассивная чёрная дыра.

Затем, примерно через полтора года подобной активности, рентгеновский сигнал внезапно резко упал до такой величины, что стал необнаружим при помощи обсерватории Swift. Астрономы поняли, что только что стали свидетелями ещё одного невероятного события — «выключения» джета. Обычно релятивистские струи чёрных дыр функционируют в течение нескольких тысяч лет. Тот факт, что всё это продолжалось меньше времени, чем требуется Марсу для обращения вокруг Солнца, был беспрецедентным и весьма радостным событием для астрономов, работающих над разгадкой тайн подобных феноменов.

Как только джет отключился, энергия ударной волны от Swift J1644+57 стала медленно уменьшаться. Рентгеновское излучение уже давно исчезло, но взрыв по-прежнему обладал достаточной мощностью, чтобы посылать радиоволны, которые можно продолжать изучать в течение ещё примерно ста лет при помощи обсерватории VLA в Нью-Мексико. Я знаю это, потому что сама делала подобный анализ.

Смерть звезды: 1) События приливного разрушения начинаются с того, что звезда вращается вокруг сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики. Если она пройдёт достаточно близко от другой звезды, то может начать свой «смертельный прыжок» к чёрной дыре. 2) По мере приближения звезды к чёрной дыре нарастают приливные силы, деформирующие её — процесс спагеттификации. 3) В конце концов приливные силы становятся сильнее собственной гравитации звезды, разрывая её на части. Часть остатков звёздного вещества образует аккреционный диск вокруг чёрной дыры, а другая выбрасывается в космос. 4) Когда вещество вращается вокруг чёрной дыры, магнитные поля фокусируют его часть в мощный джет, частицы которого практически достигают скорости света. Это создаёт ударные волны внутри джета, которые генерируют интенсивные пучки рентгеновских лучей и радиоволн. Все изображения: Astronomy | Roen Kelly

Я начала работу над своей докторской диссертацией по астрономии в 2011 году с целью специализироваться на транзиентной радиоастрономии (я хотела работать именно в этой области с тех пор, как в подростковом возрасте прочитала «Контакт» Карла Сагана, так что это был неизбежный выбор).

Когда я услышала о Swift J1644+57, меня поразило, насколько много информации содержит радиосигнал. Когда же я защитила свою диссертацию, и появилась возможность стать постдокторантом Гарварда в составе группы, проводившей первоначальный анализ Swift J1644+57, я ухватилась за неё — и смогла проанализировать последние данные по событию приливного разрушения. Конечно, я присоединилась к проекту спустя годы после главного светопредставления, и моими нынешними коллегами уже была проведена колоссальная работа, но, тем не менее, я время от времени предаюсь размышлениям о своём невероятном везении.

Великие загадки

Когда люди узнают, что я астроном, они часто спрашивают меня о самой интересной неразгаданной тайне Вселенной. Честный ответ заключается в том, что зачастую это то, над чем я работаю в данный момент. Чем больше изучаешь предмет, тем больше понимаешь его тонкости. 

Итак, вот загадка события приливного разрушения в целом и конкретно Swift J1644+57 в частности, которая заставляет меня задуматься. Хотя Swift J1644+57 и является наиболее изученным событием приливного разрушения за всю историю наблюдений, оно не было предсказано и совсем не похоже на другие подобные феномены, которые мы наблюдали. Оно было в тысячу раз более ярким в радиоволнах, чем подобные ему события, и более чем в 10 тысяч раз более энергоёмким благодаря своему релятивистскому джету. С другой стороны, при «обычном» событии приливного разрушения вещество имеет тенденцию «вытекать» во всех направлениях, и энергоёмкость этого процесса сравнима с той, что мы наблюдаем при взрыве сверхновой — конечно, всё ещё потрясающе и весьма впечатляюще, но немного похоже на сравнение обычного взрыва с ядерной бомбой.

Каждый обведённый кружком объект на этом радиоизображении, полученном при помощи MeerKAT — это недавно обнаруженная телескопом сверхмассивная чёрная дыра,, которая выбрасывает релятивистские джеты в космос. Этот широкоугольный снимок охватывает 1,78 квадратных градуса. Изображение: Yvette Cendes | SARAO

Так совпало, что в 2011 году при помощи обсерватории Swift были обнаружены ещё два события приливного разрушения, выбрасывающие джеты, но на гораздо больших расстояниях, поэтому их нельзя было изучить подробно. В остальном же все подобные феномены из нами виденных попали в категорию обычных. На данный момент считается, что только 1 процент всех событий приливного разрушения приводит к появлению релятивистского джета, и мы до сих пор не понимаем, с чем это связано. Возможно, звезда разрушается особенно быстро, или же магнитные поля вокруг чёрной дыры необычайно сильны — без наблюдения за другими такими событиями трудно сказать наверняка.

Ещё одна тайна событий приливного разрушения, заставляющая меня задуматься, заключается в том, что, хотя мы знаем, что в чёрную дыру падает большое количество вещества, нам также известно, что не меньшая его часть избегает подобной участи. «Мы знаем, что сверхмассивные чёрные дыры пожирают всё подряд», — любит шутить моя коллега Кейт Александер, астроном из Северо-Западного университета. И всё ещё остаётся открытым вопрос о том, как остатки этого самого вещества взаимодействуют с окружающей средой.

Если мы хотим понять события приливного разрушения и то, как эти чёрные дыры формируют своё окружение, нам нужно отслеживать как можно больше подобных явлений — и на максимальном количестве длин волн. Пока лишь менее половины известных событий приливного разрушения были обнаружены при помощи радиосигналов.

Кейт надеется изменить это и курирует большую серию наблюдений (в которой я также принимаю участие) в обсерватории VLA, чтобы следить за всеми такими новыми явлениями, обнаруженными в нашей локальной вселенной. Она имеет право «запускать» VLA каждый раз, когда новое событие приливного разрушения обнаруживается сторонней обсерваторией на другой длине волны, то есть прерывать график наших собственных срочных наблюдений, чтобы собрать больше данных о предстоящих событиях приливного разрушения.

На этом радиоизображении, полученном при помощи MeerKAT, две яркие радиогалактики выбрасывают релятивистские джеты. Верхняя галактика находится примерно в 240 миллионах световых лет от нас, нижняя же расположена на расстоянии около 130 миллионов. Изображение: Yvette Cendes | SARAO

Свежий взгляд

Однако обсерватория VLA не способна выполнять эту работу в одиночку. Она не видит около трети южного неба из-за своего местоположения в Нью-Мексико. Фактически, за исключением последних нескольких лет, большинство событий приливного разрушения было невозможно наблюдать на южном небе, поскольку не существовало такого же инструмента как VLA – с нужной чувствительностью и углом обзора.

К счастью, эта ситуация быстро меняется благодаря новым телескопам, таким как MeerKAT. Он так же чувствителен как и VLA, благодаря своим 64 антеннам, расположенным в регионе Кару в Южной Африке. В конце концов, он станет частью радиоинтерферометра SKA, который будет самым мощным радиотелескопом на Земле после завершения своего строительства в 2030 году. В его состав войдут антенны, разбросанные по Южной Африке и Австралии.

MeerKAT начал функционировать в 2016 году, и, когда не-южноафриканцев пригласили провести наблюдения с его помощью, я ухватилась за этот шанс. Мои цели? Полдюжины событий приливного разрушения, большинство из которых никогда ранее не наблюдалось в радиодиапазоне.

На этом изображении, полученном при помощи MeerKAT, в области, окружающей центр Галактики Млечный Путь, видны два огромных пузыря горячего газа, вырывающегося вверх и вниз — свидетельство влияния сверхмассивной чёрной дыры на своё окружение. Также можно заметить тонкие магнитные нити в том месте, где мощное магнитное поле чёрной дыры нагревает и заряжает газ. Изображение: South African Radio Astronomy Observatory (SARAO)

Вот так вот однажды утром я проснулась от пришедшего на мой смартфон уведомления, присланного радиотелескопом на другой стороне Земли.

Мне посчастливилось за свою карьеру работать на дюжине различных радиотелескопов, но с самого начала было ясно, что MeerKAT – это кое-что особенное. Я привыкла к работе с исходниками, где нужные мне объекты выглядят как безликие пятна, но детализация и широкий угол обзора изображений MeerKAT, несомненно, делают их самыми красивыми из тех, что я видела — большой участок неба с десятками крошечных галактик, плавающих в космосе. Это похоже на данные, получаемые прибором Deep Field космического телескопа «Хаббл». Но вместо видимого звёздного света, который наблюдает «Хаббл», галактики на радиоизображениях MeerKAT подсвечиваются взаимодействующими с рассеянным газом и пылью сверхмассивными чёрными дырами в их центре. Эти процессы представляют собой устойчивые низкоэнергетические события, которые подпитывают большинство чёрных дыр во Вселенной.

Тем не менее, это не то, что мне нужно.

Наконец, изображение, полученное с помощью MeerKAT, загружается на мой ноутбук. Я делаю паузу, чтобы осмотреть его целиком — на мгновение кажется, будто паришь в пространстве — до того, как увеличиваешь масштаб. А там… Пятно света в центре — вспышка умирающей звезды, остатки которой поглощает чёрная дыра, одиноко парящая посреди космического океана.

Я улыбаюсь и начинаю планировать свои дальнейшие действия по анализу полученных данных. Конец пути этой звезды означает начало моего исследования для того, чтобы попытаться разгадать её историю. Мне предстоит ещё очень много работы.

Источник

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

18

Это пользовательский материал, написанный участником сообщества, который не входит в состав редакции или администрации. Поддерживая авторов оценками, вы помогаете нашему сообществу развиваться.

Войдите, чтобы видеть ещё 1 комментарий, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Весёлый Юрий Г.
Вечность назад

Лонгріди - велика радість у ці буремні часи. Дякую за Вашу працю!

Показать скрытые комментарии

Загружаем комментарии...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Зарегистрируйтесь на сайте, чтобы не видеть рекламу, создавать и отслеживать темы, сохранять статьи в личные закладки и участвовать в обсуждениях
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.