Впечатление художника от VFTS 243 в туманности Тарантул. Фото: ESO/L. Кальсада. eso.org/public/images/eso2210a/
Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, изучает условия образования черных дыр из умирающих звезд, в частности, роль натальных ударов, вызванных нейтрино, в процессе формирования.
Черные дыры — одни из самых загадочных объектов во Вселенной, гравитационные силы которых настолько сильны, что даже свет не может их избежать. На данный момент, согласно имеющимся у нас доказательствам, черные дыры представляют собой трупы звезд, то есть они рождаются, когда звезды умирают.
Однако точные механизмы их образования до сих пор остаются загадкой. Новое исследование решает некоторые из этих загадок, изучая такие процессы, как выброс звездной массы и эмиссия нейтрино, которые играют решающую роль в формировании черных дыр.
Phys.org поговорил с первым автором доктором Алехандро Винья-Гомесом, научным сотрудником Института астрофизики Макса Планка в Германии.
Когда его спросили о его мотивации к изучению образования черных дыр, он сказал: «За последнее десятилетие моя работа вращалась вокруг пересечения физики двойных звезд и физики сверхновых».
«Мой интерес возрос после недавних прорывов в астрономии черных дыр. В последние годы я понял, что тяжелые черные дыры могут дать существенное представление о процессах звездного коллапса, которые приводят к их созданию».
Натальные удары и нейтронные звезды
Когда звезда крупнее нашего Солнца достигает конца своей жизни, это приводит к чрезвычайно яркому и сильному взрыву, называемому взрывом сверхновой. Эти взрывы настолько ярки, что могут на короткое время затмить светимость целой галактики и выпустить большое количество нейтрино, оставив после себя нейтронную звезду.
Звездная масса, выброшенная во время взрыва, имеет скорость тысячи километров в секунду, но не всегда распределена равномерно. Эта асимметрия приводит к крупномасштабной асимметрии остатков взрыва, наблюдавшейся для нейтронных звезд.
Эта асимметричная выброшенная масса вызывает отдачу нейтронной звезды, называемую натальным толчком, которая заставляет ее двигаться на высоких скоростях по всей галактике. Натальные удары ранее наблюдались у нейтронных звезд, но не у черных дыр.
Черные дыры образуются, когда вместо взрыва умирающая звезда схлопывается сама в себя. Итак, мы подошли к вопросу, поставленному исследователями: могут ли натальные удары также играть роль в образовании черных дыр?
Двойные черные дыры
«В последние годы в нашей галактике и ее окрестностях было обнаружено несколько двойных черных дыр. Обычно их обнаруживают с помощью рентгеновского излучения, но лишь немногие из них были обнаружены с помощью однолинейной спектроскопии. [a different method] как рентгеновские двойные системы», — сказал доктор Винья-Гомез.
Эти двойные системы не излучают значительного количества рентгеновских лучей, что может указывать на этапы эволюции звезд в двойной системе.
Для своего исследования исследователи выбрали галактику VFTS 243, поскольку в ней находится одна из самых массивных черных дыр среди этих двойных систем.
Двойная система состоит из черной дыры и массивной звезды. Исследователи хотели изучить условия, при которых образовалась черная дыра, потеря звездной массы и натальные удары, связанные с ее образованием.
Исследователи основывались на недавних наблюдениях за исчезающими звездами, то есть звездами, которые умерли и превратились в черные дыры без взрыва. Кроме того, эти двойные черные дыры звездной массы (это официальный термин) инертны, а это означает, что после образования черной дыры между звездой и черной дырой мало взаимодействия.
Ограничения натального удара
Исследователи использовали полуаналитический подход для расчета вероятности того, что натальный удар во время формирования черной дыры приведет к наблюдаемой конфигурации системы.
Для анализа формирования системы исследователи использовали различные ограничения, такие как орбитальный период, эксцентриситет и системная лучевая скорость системы. Дополнительно они выполнили оценки долговременной нейтринной асимметрии при образовании черной дыры (предполагая, что это произошло в результате полного коллапса, а не взрыва).
Доктор Винья-Гомез резюмировала полученные результаты, сказав: «Мы обнаружили, что черная дыра VFTS 243 образовалась без взрыва и имела низкий натальный выброс нейтрино, если таковой вообще был. Это говорит о том, что нейтрино испускались почти одинаково во всех направлениях, когда массивная прародитель рухнул в черную дыру».
Для VFTS 243 исследователи ограничили натальную скорость толчком не более 10 километров в секунду. Они обнаружили, что наиболее вероятный сценарий заключается в том, что было выброшено примерно 0,3 солнечной массы, предположительно в виде нейтрино, и черная дыра испытала натальный удар со скоростью около 4 километров в секунду.
Будущая работа
Эти результаты имеют значение для формирования других черных дыр, предполагая, что некоторые из них могут образоваться путем полного коллапса без взрыва.
Кроме того, долговременная эмиссия нейтрино преимущественно сферически симметрична (равна во всех направлениях), что объясняет отсутствие сильного натального удара по двойной системе.
Доктор Винья-Гомез добавил: «Похоже, что теоретическая интуиция, которую мы построили на основании того, что черные дыры имеют меньше натальных ударов по сравнению с нейтронными звездами, была верной».
«Этот анализ показывает, что VFTS 243 может использоваться в качестве эталонной системы для моделирования сверхновых с коллапсом ядра, то есть моделирование звезд, коллапсирующих в черные дыры с массой около десяти солнечных, должно согласовываться с небольшими нейтринными асимметриями и натальными ударами, которые мы сделали вывод для VFTS 243».
Создание структуры популяции черных дыр станет следующим шагом исследователей в их попытке понять эволюцию массивных звезд.
