Художественное представление приливного разрушения (звезда, разрываемая черной дырой). Авторы и права: НАСА/CXC/М. Вайс.
В центре большинства крупных галактик находится сверхмассивная черная дыра (СМЧД). В Млечном Пути есть Стрелец А*, в основном спящая сверхмассивная чёрная дыра, масса которой примерно в 4,3 миллиона раз превышает массу Солнца. Но если вы посмотрите глубже во Вселенную, то увидите гораздо более крупные сверхмассивные черные дыры, массы которых могут достигать десятков миллиардов раз больше массы нашего Солнца.
Черные дыры растут в массе за счет гравитационного поглощения объектов в непосредственной близости от них, включая звезды. Это катастрофический и разрушительный конец для звезд, которым не повезло быть поглощенными сверхмассивными черными дырами, но это удача для ученых, у которых теперь есть возможность исследовать спящие центры галактик.
TDE освещают путь
Как следует из названия, черные дыры не излучают собственного света, что затрудняет их наблюдение исследователями. Но когда звезда приближается достаточно близко к сверхмассивной черной дыре, она может быть разрушена огромным приливным гравитационным полем черной дыры посредством взаимодействия, которое, по сути, является крайним примером приливного взаимодействия Земли с Луной.
Часть разрушенного приливом материала падает в черную дыру, создавая при этом очень горячий и очень яркий диск материала. Этот процесс, известный как приливное разрушение (TDE), обеспечивает источник света, который можно наблюдать с помощью мощных телескопов и анализировать ученые.
TDE относительно редки: по прогнозам, они происходят примерно раз в 10 000–100 000 лет в данной галактике. Обычно ежегодно обнаруживается от одного до двух десятков TDE, но с появлением новых технологий, таких как обсерватория Веры К. Рубин, строящаяся в настоящее время в Чили, ожидается, что в ближайшие годы будут наблюдаться сотни.
Эти мощные обсерватории сканируют ночное небо в поисках восходящих и нисходящих источников света и, таким образом, «исследуют» космос на предмет изменяющихся во времени астрономических явлений. Используя эти исследования, астрофизики могут проводить исследования TDE, чтобы оценить свойства сверхмассивных чёрных дыр и звезд, которые они разрушают.
Одна из вещей, которую исследователи пытаются понять, — это масса звезды и СМЧД. Хотя одна модель использовалась довольно часто, недавно была разработана новая и сейчас проходит испытания.
Появление аналитических моделей
Скорость аккреции – или скорость, с которой звездный материал звезды выпадает обратно на СМЧД во время TDE – показывает важные характеристики звезд и СМЧД, такие как их массы. Самый точный способ рассчитать это — численное гидродинамическое моделирование, которое использует компьютер для анализа газовой динамики приливно-разрушенного материала из TDE, когда он льется дождем на черную дыру. Несмотря на то, что этот метод точен, он дорог, и исследователям могут потребоваться недели или месяцы, чтобы вычислить один TDE.
В последние десятилетия физики разработали аналитические модели для расчета скорости аккреции. Эти модели представляют собой эффективный и экономичный метод понимания свойств разрушенных звезд и черных дыр, но остается неопределенность в отношении точности их приближений.
В настоящее время существует несколько аналитических моделей, наиболее известной из которых, пожалуй, является «замороженное» приближение; это название происходит от того факта, что орбитальный период обломков, выпадающих на черную дыру, устанавливается или «замораживается» на определенном расстоянии от черной дыры, называемом приливным радиусом.
Эта модель, предложенная в 1982 году Лейси, Таунсом и Холленбахом, а затем расширенная Лодато, Кингом и Принглом в 2009 году, предполагает, что скорость аккреции массивных звезд достигает максимума в масштабе времени, который может варьироваться от одного до 10 лет в зависимости от массы звезды. звезда. Это означает, что если вы смотрите на ночное небо, источник может сначала увеличиваться, достигать пика и уменьшаться со временем в течение нескольких лет.
Новый путь вперед
Эрик Кофлин, профессор физики Сиракузского университета, и Крис Никсон, доцент кафедры теоретической астрофизики Университета Лидса, предложили в 2022 году новую модель, называемую просто моделью CN22, которая определяет пиковый временной масштаб для TDE как функцию свойств звезды и массы черной дыры.
Из этой новой модели они восстановили пиковые временные масштабы TDE и темпы аккреции, которые согласуются с результатами некоторых гидродинамических симуляций, но более широкие последствия этой модели, а также ее предсказания для более широкого диапазона звездных типов, включая массу и возраст звезд. звезда — до конца не выяснены.
Чтобы лучше охарактеризовать и понять предсказания этой модели в более широком контексте, группа исследователей из Сиракузского университета под руководством Ананьи Бандопадьяй, доктора философии. Студент факультета физики провел исследование по анализу последствий модели CN22 и ее проверке на различных типах звезд и сверхмассивных черных дырах различных масс.
Работа команды была опубликована в Astrophysical Journal Letters. Помимо ведущего автора Бандопадьяя, в число соавторов входили Кофлин, Никсон, студенты и аспиранты факультета физики, а также студенты школьного округа города Сиракьюс (SCSD).
Участие студентов SCSD стало возможным благодаря программе исследований в области физики Сиракузского университета (SURPh), шестинедельной оплачиваемой стажировке, в ходе которой местные старшеклассники участвуют в передовых исследованиях вместе с преподавателями и студентами факультета Колледжа искусств и наук. Физика.
Летом 2022 и 2023 годов студенты SCSD сотрудничали с физиками Сиракуз над вычислительными проектами, которые проверяли достоверность модели CN22. Для изучения эволюции звезд они использовали код звездной эволюции под названием «Модули для экспериментов в звездной астрофизике».
Используя эти профили, они затем сравнили прогнозы скорости аккреции для диапазона звездных масс и возрастов для «замороженного» приближения и модели CN22. Они также выполнили численное гидродинамическое моделирование разрушения солнцеподобной звезды сверхмассивной черной дырой, чтобы сравнить предсказания модели с полученной численно скоростью аккреции.
Их выводы
По словам Бандопадьяя, команда обнаружила, что модель CN22 очень хорошо согласуется с гидродинамическим моделированием. Более того, и, возможно, самым важным было открытие того, что пиковый временной масштаб темпа аккреции в TDE очень нечувствителен к свойствам (массе и возрасту) разрушенной звезды и составляет ~ 50 дней для звезды, подобной нашему Солнцу, разрушенной черная дыра с массой Стрельца А*.
Самым поразительным и удивительным в этом результате является то, что «замороженная» модель дает совершенно иные прогнозы. Согласно «замороженной» модели, тот же TDE будет давать скорость аккреции, достигающую пика в течение двух лет, что находится в явном противоречии с результатами гидродинамического моделирования.
«Это переворачивает прежние представления о том, как работают TDE и какие типы переходных процессов можно создать, полностью уничтожив звезду», — говорит Бандопадьяй. «Подтвердив точность модели CN22, мы предлагаем доказательство того, что этот тип аналитического метода может значительно ускорить вывод наблюдаемых свойств разрушения звезд, имеющих диапазон масс и возрастов».
Их исследование также устраняет еще одно предыдущее заблуждение. Разъясняя, что полные TDE не могут превышать месячные временные рамки, они опровергают ранее существовавшее мнение о том, что их можно использовать для объяснения долговременных кривых блеска, которые достигают максимума и затухают в течение нескольких лет.
Кроме того, Кафлин отмечает, что эта статья подтверждает, что пиковая скорость восстановления фактически не зависит от массы и возраста разрушенной звезды и почти полностью определяется массой СМЧД, ключевым индикатором, который модели, подобные CN22, могут помочь исследователям ограничить массы сверхмассивной черной дыры. СМЧД.
«Если вы измерите время нарастания, то, во что вы сможете непосредственно заглянуть, на самом деле является свойством сверхмассивной черной дыры, которая является Святым Граалем физики TDE — возможность использовать TDE, чтобы что-то сказать о черной дыре», — говорит Кофлин. .
Признавая влияние статьи на эту область, Бандопадьяй был приглашен Американским астрономическим обществом провести презентацию результатов команды на 243-м собрании общества в Новом Орлеане 11 января 2024 года.
Заглядывая в будущее, команда говорит, что, подтвердив точность модели CN22, это исследование открывает возможность исследователям сделать наблюдаемые прогнозы о TDE, которые можно проверить на основе существующих и будущих обнаружений. Благодаря сотрудничеству и изобретательности исследователи из Сиракуз проливают свет на подробности физики черных дыр и помогают исследовать области далекой Вселенной, которые когда-то было невозможно отследить.
Информация от: Сиракузским университетом
