Новый тип сверхновых вызван поглощением черной дыры звездой

Недавно человечество впервые стало свидетелем чрезвычайно редкого космического события: черная дыра (или, возможно, нейтронная звезда) была поглощена звездой, после чего уничтожила ее ядро ​​изнутри, чем вызвала сверхновую. О существовании подобного феномена до этого только догадывались, но теперь ученые имеют наглядное доказательство. Впервые это событие зарегистрировал в 2017 году Very Large Array - радиотелескоп, расположенный в Нью-Мексико, США. Внимание астрономов привлек мощный радиовзрыв VT 1210 + 4956, который связывают со взрывом сверхновой, происходил из карликовой галактики в примерно 480 миллионах световых лет от Земли. Для дальнейшего наблюдения за галактикой Донг с коллегами применили, кроме VLA, спектрометр LRIS (Low Resolution Imaging Spectrometer) из Обсерватории Кека на Гавайях, работающий в оптическом диапазоне. Он помог ученым найти следующую подсказку: сверхбыстрые потоки материи, выходящих из точки в окрестности этой галактики - признак того, что когда-то там произошел мощный взрыв. Последней деталью стали архивные данные японского телескопа MAXI (Monitor of All Sky X-ray Image), находящийся на МКС. Они показали мощную рентгеновскую вспышку с центром в том же месте - но на этот раз датированную 2014 годом.

Событие глазами художника. Спираль вокруг звезды - материя, поднятая объектом (черной дырой или нейтронной звездой, которая до этого была одной из двух звезд в двойной системе) с ее атмосферы. После столетий сближения двух тел, объект наконец погрузился сначала в атмосферу звезды, а затем дошел и до ядра, чем вызвал зрелищную вспышку сверхновой и два джета.

Credit: Chuck Carter

Вот что произошло, по мнению ученых: когда-то там была двойная звездная система. Впоследствии одна из звезд стала сверхновой и превратилась или в нейтронную звезду или на черную дыру, под действием гравитации приближалась к своей «сестре», оставляя за собой спираль перетащенного из нее газа.

После того как этот объект пересек границу атмосферы звезды, ему понадобилось еще несколько веков, чтобы достичь ядра. Наконец, уничтожение ядра звезды привело к формированию двух джетов - именно их рентгеновский следует засек в 2014 году японский телескоп - а также превратило звезду в сверхновую. Обнаруженные VLA радиоволновые всплески, с другой стороны, были вызваны столкновением материала с сверхновой с той огромной газовой спиралью, образовавшейся ранее.

Существование подобного феномена - вызванного слиянием сверхновой с ядром,  которое коллапсирует (Merger-triggered core-collapse supernova) - ученые уже предвидели, но до этого не было ни одного прямого его наблюдения.

«Вторая звезда все равно рано или поздно взорвалась бы, но слияние ускорило процесс», - говорит Донг.

Исследование опубликовано в журнале Science под названием «A transient radio source consistent with a merger-triggered core collapse supernova».

«Спектр-РГ» увидел 13 событий разрыва звезд черными дырами

Астрономы, работающие с рентгеновской космической обсерваторией «Спектр-РГ», составили первый каталог событий приливного разрушения звезд сверхмассивными черными дырами. В него вошли 13 событий, которые интерпретируются как образование аккреционного диска с околокритическим или сверхкритическим режимом аккреции вещества звезд на черные дыры с массами от 103 до 108 масс Солнца. Препринт работы доступен на сайте arXiv org. События приливного разрушения возникают, когда звезда пролетает достаточно близко от черной дыры, чтобы приливные силы смогли разрушить ее. При этом некоторая часть вещества звезды выбрасывает прочь, а остальная часть формирует вокруг черной дыры аккреционный диск. Наблюдатель таких событий сначала видит вспышку мягкого рентгеновского излучения, а затем уже в оптическом спектре. Подобные события позволяют разобраться в режимах аккреции вещества на черные дыры и свойствах сверхмассивных черных дыр с массами до 108 масс Солнца в ядрах галактик. Группа астрономов из России, Германии, Нидерландов и США во главе с Сергеем Сазоновым из лаборатории экспериментальной астрофизики Института космических исследований РАН опубликовала первый каталог событий приливного разрушения звезд сверхмассивными черными дырами, обнаруженными рентгеновским телескопом eROSITA космической обсерватории «Спектр-РГ» время его второго (из запланированных восьми) обзора неба в период с 10 июня по 14 декабря 2020 года. Данные космической обсерватории подтверждены наземными оптическими наблюдениями.

S. Sazonov et al. / arXiv:2108.02449v1

Наиболее далекое событие приливного разрушения, SRG J163831.7+534020, имеет значение красного смещения 0,581, а максимальная длительность свечения среди найденных событий — у SRGE J144738.4+671821, она как минимум шесть месяцев. Рентгеновские спектры наблюдавшихся событий можно описать в рамках модели типичного аккреционного диска с околокритическим или сверхкритическим режимом аккреции вещества на черные дыры с массами от 103 до 108 масс Солнца.

Ученые оценили, что общая частота появления рентгеновских событий приливного разрушения звезд сверхмассивными черными дырами составляет 1,1 × 10-5 событий на галактику в год, что на порядок ниже, чем более ранние оценки для оптических событий приливного разрушения. Если это расхождение связано с тем, что яркие рентгеновские события подобного рода составляют меньшинство всех наблюдаемых событий, то это доказывает теоретические модели, которые предсказывают сильную зависимость свойств событий приливного разрушения от угла обзора — рентгеновское излучение может наблюдаться только с направлений, близких к оси толстого аккреционного диска, образованного из вещества разрушенной звезды.

Дальнейшие наблюдения «Спектра-РГ» позволят уточнить ограничения как на свойства популяций сверхмассивных черных дыр и черных дыр промежуточных масс, так и на модели околокритической и сверхкритической аккреции на такие объекты.

«Спектр-РГ» ведет наблюдения с октября 2019 года и должен составить рекордно детальные карты небесной сферы в мягком и жестком диапазонах рентгеновского излучения. Аппарат оснащен двумя телескопами: российским ART-ХС и немецким eROSITA, которые установлены на российской платформе «Навигатор». 

Телескоп горизонта событий получил снимок джета черной дыры

Два года назад ученые, работавшие с Телескопом горизонта событий (Event Horizon Telescope, EHT) выпустили первый в истории снимок черной дыры. Изображение подтвердило многие гипотезы относительно этих массивных, компактных объектов, но команда не останавливаться на достигнутом. Последние обнародованные данные сосредоточены на другой цели — активной галактике, известной как Центавр А, и ее джетах. Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy. EHT — это не один самостоятельный инструмент. Этот «телескоп» состоит из радиотелескопов, разбросанных по всему миру. Наблюдая один и тот же объект через каждый из них, ученые могут объединить данные при помощи временных отметок на атомных часах и многочисленных циклов на суперкомпьютерах. На сбор изображений EHT уходят месяцы, но и результаты стоят того. Мы бы никогда не смогли рассмотреть черную дыру в M87 через один единственный телескоп, и никогда прежде Центавр А не представал перед нами в таких деталях.

Телескоп горизонта событий получил детальные изображения потоков вещества из центра Центавра А, на которых видно, что у джетов темная середина и яркие края / © M. Janssen, Nature Astronomy (2021) 10.1038

Центавр А интересен из-за своего активного галактического ядра. Черная дыра в ее центре занята поглощением вещества и выбросами релятивистских джетов в глубокий космос. Это делает Центавр А одной из ближайших к нам галактик, достаточно ярких на радиочастотах. Это пятая по яркости галактика в небе, так что к ней часто обращают свои телескопы астрономы-любители. В сети можно найти множество красочных снимков Центавра А.

Снимки EHT, возможно, не настолько визуально захватывающие, но лишь до тех пор, пока не разберешься в том, что на них изображено. Как видно на снимке сверху, EHT удалось детализировать изображение джета плазмы, испущенного галактическим ядром. Несмотря на то, что джет находится в 10 миллионах световых лет от Земли, команда сумела детально изучить его структуру.

Этот снимок джета в 16 раз четче всех предыдущих наблюдений. Судя по данным, светится только край потока, но команда отмечает, что такое впечатление возникает только при сильном приближении. Некоторые из прошлых анализов других джетов черных дыр предполагали наличие этой трубкоподобной структуры, теперь же появилось больше точных данных. Причина такого строения неясна, но ее причиной может быть взаимодействие краев с неподвижными газовыми облаками, из-за чего первые разогреваются и светятся.

Наблюдения вблизи черной дыры показывают, что «трубка» сужается в «конус», но основание все равно остается достаточно широким. Это может означать, что источником джета является аккреционный диск черной дыры, но некоторые ученые считают, что джеты используют энергию вращения черной дыры, чтобы вырываться наружу с такой силой. EHT пока еще не ответил на все вопросы ученых относительно черных дыр, но он вполне может направить их в нужное русло.

Найдено объяснение, как Вселенная отражается возле черных дыр

Новая система уравнений может точно описать отражения Вселенной, которые появляются в искривленном свете вокруг черной дыры. Исследование опубликовано в Scientific Reports. Конфигурация пространства вблизи черных дыр может быть настолько сложной, что лучи света искривляются вокруг этих массивных объектов несколько раз. Теперь благодаря Альберту Снеппену, студенту Института Нильса Бора, феномен, который лежит в основе эффекта гравитационного линзирования, впервые получил математическое описание. Он описал появление «двойников» гравитационно линзированных объектов, используя современный математический аппарат. Студент попытался разобраться в особенностях пространства около черных дыр, где происходит столь сильное искривление пространственной ткани, что лучи света отклоняются от своего курса. Как известно, в районе горизонта событий черной дыры траектория фотонов может измениться настолько, что они несколько раз облетят сверхмассивный объект. В итоге, если наблюдать черную дыру на фоне какого-то далекого объекта, то можно увидеть несколько искаженных его версий.

Математическое описание гравитационного линзирования, представленное Альбертом Снеппеном, объясняет, как именно рождаются такие «двойники» линзированных объектов. Он выяснил, как законы гравитации и принципы существования черных дыр определяют особенности эффекта линзирования. Стоит отметить, что ученый, кроме того, описал линзирование, порождаемое не обычными, а вращающимися черными дырами.

Однажды бесконечные изображения, близкие к черной дыре, могут стать инструментом для изучения не только физики пространства-времени черной дыры, но и объектов позади них — повторяющихся в бесконечных отражениях.

Теория Хокинга о горизонтах событий черных дыр получила подтверждение

Площадь поверхности горизонта событий черной дыры при поглощении ею дополнительных масс может только увеличиваться. Анализ самой первой уверенно зафиксированной гравитационной волны GW150914, возникшей от слияния двух черных дыр около 1,3 миллиарда лет назад и обнаруженной еще в 2015 году, подтвердил теорему Хокинга о площади, предложенную им в 1971 году. Согласно ей, площадь поверхности горизонта событий черной дыры никогда не должна уменьшаться, а только может увеличиваться. Горизонт событий — это не сама черная дыра, а радиус сферы, внутри которой даже скорость света в вакууме недостаточна для достижения скорости убегания из гравитационного поля, создаваемого сингулярностью черной дыры. Он пропорционален массе черной дыры; поскольку черные дыры могут только набирать массу, согласно общей теории относительности горизонт событий должен только увеличиваться. При таком упрощенном описании все выглядит достаточно очевидно, хотя в действительности теорема Хокинга сформулирована несколько сложнее. Однако, в любом случае, вопрос в том, насколько наши теоретические представления о черных дырах совпадают с реальностью, остается открытым. Подтверждение этого прямым наблюдением было крайне важно, но сложно, в основном, потому, что черные дыры чрезвычайно трудно наблюдать напрямую, поскольку они не излучают.

И только когда была обнаружена гравитационная рябь, распространяющаяся в пространстве-времени при столкновении двух из этих загадочных объектов, прямая проверка теоремы Хокинга стала возможна.

Короткий гравитационный всплеск GW150914, зарегистрированный интерферометром LIGO, стал первым прямым наблюдением двух черных дыр, которые объединились и образовали одну большую черную дыру. Затем эта черная дыра осциллировала, издавая слабый гравитационный «звон». В 2019 году группа американских астрофизиков, во главе с командой из Массачусетского технологического института, усовершенствовав методы наблюдений, смогла обнаружить этот «звон», и на его основе вычислить массу и скорость вращения суммарной черной дыры.

Группа также провела новый анализ сигнала слияния, чтобы вычислить массу и спин двух черных дыр до слияния. Поскольку масса и вращение связаны с площадью горизонта событий, это позволило им вычислить горизонты событий всех трех объектов. Исследование было опубликовано в Physical Review Letters .

Если горизонт событий может уменьшиться в размерах, то горизонт событий объединенной черной дыры должен быть меньше, чем у двух черных дыр, которые ее создали. Согласно расчетам авторов статьи, две меньшие черные дыры имели общую площадь горизонта событий 235 000 квадратных километров. В то же время суммарная черная дыра имела площадь горизонта событий 367 000 квадратных километров.

Таким образом, теорема Хокинга о площади работает, по крайней мере, в краткосрочной перспективе. В дальнейшем все становится не столь очевидным: в рамках квантовой механики, которая не очень хорошо сочетается с классической физикой, Хокинг позднее предсказал, что в течение очень долгого времени черные дыры должны терять массу в виде излучения. Это излучение в дальнейшем было обнаружено в прямых наблюдениях, и названо в его честь излучением Хокинга. Такая потеря массы должна привести к тому, что горизонт событий черной дыры со временем может уменьшиться в площади, что вступает в противоречие с теоремой Хокинга, имеющей гораздо более глубокое и универсальное обоснование, чем приведенное выше простое объяснение. Очевидно, что в будущем это потребует более тщательного изучения.