Массивные звезды, примерно в восемь раз массивнее Солнца, в конце своей жизни взрываются как сверхновые. Взрывы, оставляющие черную дыру или нейтронную звезду, настолько энергетичны, что могут на месяцы затмить родительские галактики. Однако астрономы, похоже, обнаружили массивную звезду, которая миновала взрыв и превратилась прямо в черную дыру.
Звезды балансируют между внешней силой термоядерного синтеза и внутренней силой собственной гравитации. Когда массивная звезда вступает в завершающую стадию эволюции, у нее начинает заканчиваться водород, и ее термоядерный синтез ослабевает. Внешняя сила ее слияния больше не может противодействовать сильной гравитации звезды, и звезда коллапсирует сама по себе. Результатом является взрыв сверхновой, катастрофическое событие, которое разрушает звезду и оставляет после себя черную дыру или нейтронную звезду.
Однако оказывается, что иногда эти звезды не взрываются как сверхновые, а вместо этого превращаются непосредственно в черные дыры.
Новое исследование показывает, что массивная, бедная водородом звезда-сверхгигант в Галактике Андромеды (M31) не взорвалась как сверхновая. Исследование называется «Исчезновение массивной звезды, знаменующее рождение черной дыры в M31». Ведущий автор — Кишалай Де, научный сотрудник Института астрофизики и космических исследований Кавли в Массачусетском технологическом институте.
Эти типы сверхновых называются сверхновыми с коллапсом ядра, также называемыми типом II. Они относительно редки и появляются в Млечном Пути примерно раз в сто лет. Учёных интересуют сверхновые, потому что они ответственны за создание многих тяжелых элементов, а их ударные волны могут спровоцировать образование звезд. Они также производят космические лучи, которые могут достичь Земли.
Новое исследование показывает, что мы, возможно, не понимаем сверхновые так хорошо, как думали.
Рассматриваемая звезда называется M31-2014-DS1. В 2014 году астрономы заметили повышение яркости в средней инфракрасной области (MIR). Его светимость оставалась постоянной в течение тысячи дней. Затем, в течение еще тысячи дней между 2016 и 2019 годами, он резко снизился. Это переменная звезда, но это не может объяснить эти колебания. В 2023 году он остался незамеченным при наблюдениях в глубокой оптической и ближней инфракрасной области (NIR).
Исследователи говорят, что звезда родилась с начальной массой около 20 звездных масс и достигла финальной фазы ядерного сгорания при массе около 6,7 звездных масс. Их наблюдения показывают, что звезда окружена недавно выброшенной пылевой оболочкой, что предполагает взрыв сверхновой, но свидетельств оптического взрыва нет.
«Драматический и продолжительный распад M31-2014-DS1 является исключительным в ландшафте изменчивости массивных эволюционировавших звезд», — пишут авторы. «Внезапное падение светимости M31-2014-DS1 предполагает окончание ядерного сгорания, а также последующий шок, который поступающий материал не может преодолеть». Взрыв сверхновой настолько силен, что полностью подавляет поступающий материал.
«Поскольку нет никаких свидетельств вспышки света в этом районе, наблюдения M31-2014-DS1 предполагают признаки «неудавшейся» сверхновой, ведущей к коллапсу ядра звезды», — объясняют авторы.
Что может помешать звезде не взорваться как сверхновая, даже если у нее достаточная масса для взрыва?
Сверхновые — сложные события. Плотность внутри коллапсирующего ядра настолько велика, что электроны вынуждены объединяться с протонами, создавая как нейтроны, так и нейтрино. Этот процесс называется нейтронизацией и производит мощный всплеск нейтрино, которые несут около 10% энергии массы покоя звезды. Всплеск называется нейтринным ударом.
Нейтрино получили свое название из-за того, что они электрически нейтральны и редко взаимодействуют с обычной материей. Каждую секунду через каждого человека на Земле проходит около 400 миллиардов нейтрино от нашего Солнца. Но в плотном ядре звезды плотность нейтрино настолько велика, что некоторые из них выделяют свою энергию в окружающий звездный материал. При этом материал нагревается, создавая ударную волну.
Нейтринный удар всегда прекращается, но иногда возвращается к жизни. При возрождении он вызывает взрыв и выбрасывает внешний слой сверхновой. Если ее не возродить, ударная волна потерпит неудачу и звезда разрушится, образовав черную дыру.
В М31-2014-ДС1 нейтринный удар не возобновился. Исследователям удалось ограничить количество материала, выброшенного звездой, и оно было значительно ниже того, которое выбрасывает сверхновая. «Эти ограничения подразумевают, что большая часть звездного материала (?5 масс Солнца) схлопнулась в ядро, превысив максимальную массу нейтронной звезды (NS) и образовав Ч.Д.», — заключают они. Около 98% массы звезды рухнуло, образовав черную дыру массой около 6,5 солнечных.
M31-2014-DS1 — не единственная неудавшаяся сверхновая или, возможно, неудавшаяся сверхновая, обнаруженная астрономами. Их трудно распознать, поскольку для них характерно то, чего не происходит, а не то, что происходит. Сверхновую трудно не заметить, потому что она очень яркая и внезапно появляется на небе. Древние астрономы зафиксировали несколько таких явлений.
В 2009 году астрономы обнаружили еще одну подтвержденную неудавшуюся сверхновую. Это была огромная красная звезда в NGC 6946, «Галактике Фейерверк». Она называется N6946-BH1 и имеет массу около 25 солнечных. После того, как он исчез из поля зрения, после него остался лишь слабый инфракрасный свет. В 2009 году ее светимость увеличилась до миллиона солнечных светимостей, но к 2015 году она исчезла в оптическом свете.
Исследование с использованием Большого бинокулярного телескопа отслеживало 27 близлежащих галактик в поисках исчезающих массивных звезд. Результаты показывают, что от 20 до 30% массивных звезд могут закончить свою жизнь неудавшимися сверхновыми. Однако M31-2014-DS1 и N6946-BH1 — единственные подтвержденные наблюдения.
