Що відбувається, коли гігантська зоря стикається з чорною дірою

Протягом десятиліть природа викидів чорних дір залишалася однією з найбільш заплутаних загадок астрономії. Але сьогодні ми вже знаємо, які процеси відбуваються в цей момент.

Перш за все: що таке чорна діра?

Чорна діра – це не "дірка" у звичному сенсі, а область у космосі з настільки сильною гравітацією, що з неї не може вирватися нічого – навіть світло. Це екстремально щільний об’єкт: величезна маса "стиснута" в дуже малий об’єм. Через це викривлення простору і часу стає настільки сильним, що всі траєкторії руху ведуть всередину, пише NASA Science.

Дивіться також Масштаб, який важко уявити: яка частина маси Сонячної системи зосереджена в нашій зорі

Як вона влаштована

У чорної діри є дві ключові частини:

• Перша – це "горизонт подій". Це межа, після якої повернення вже неможливе: щоб вибратися, потрібно рухатися швидше за світло, а це фізично неможливо.
• Друга – це сингулярність у центрі. Там матерія стиснута до стану, де густина формально стає нескінченною, і відомі закони фізики перестають працювати, пояснює Encyclopedia Britannica

Як вони виникають

Найпоширеніший сценарій – смерть масивної зорі. Коли в ній закінчується "паливо", вона більше не може протидіяти власній гравітації і колапсує сама в себе. Якщо маса достатньо велика, утворюється чорна діра.

Чому ми їх "бачимо", якщо вони чорні

Самі чорні діри невидимі. Але навколо них часто є гарячий диск газу і пилу, який світиться (особливо в рентгенівському діапазоні), коли падає всередину. Саме за цими ефектами їх і виявляють.

Як взаємодіють чорні діри та гігантські зорі?

Для того, щоб зрозуміти, що відбувається під час зіткнення цих двох масивних об'єктів, вчені спостерігали за системою Cygnus X-1, що розташована на відстані близько 2,22 кілопарсека (що становить приблизно 7 000 світлових років) від Землі. Вона складається з чорної діри масою 21,2 ± 2,2 маси Сонця та її супутника – блакитного надгіганта спектрального класу O, маса якого сягає 40,6 маси Сонця.

Cygnus X-1 в оптичному спектрі (ліворуч) та малюнок художника (праворуч) / Зображення Chandra X-ray Center

Ці об'єкти обертаються навколо спільного центру мас із періодом 5,6 доби. Чорна діра активно поглинає речовину з потужного зоряного вітру свого компаньйона, швидкість втрати маси якого у 100 мільйонів разів перевищує сонячну.

Під час цього процесу чорна діра випускає релятивістські струмені речовини – джети. Проте, як виявилося, ці потоки не рухаються по прямій. Використовуючи дані 18-річних спостережень за допомогою мереж радіотелескопів Very Long Baseline Array (VLBA) та European VLBI Network (EVN), міжнародна група вчених виявила, що потужні зоряні вітри надгіганта чинять бічний тиск на джети, змушуючи їх викривлятися приблизно на 2 градуси. Цей ефект нагадує те, як сильний земний вітер відхиляє струмінь води у фонтані.

Професор Джеймс Міллер-Джонс з Університету Кертіна пояснює важливість цього відкриття:

Знаючи силу вітру, команда змогла розрахувати силу, яку він чинив на джети, і на основі цього вивести, скільки енергії несли ці джети в будь-який момент часу,
– каже вчений.

Такий підхід дозволив розв'язати давню проблему астрофізики – вимірювання миттєвої потужності джетів. Раніше науковці могли оцінювати лише середню потужність за тисячі або навіть мільйони років, спостерігаючи за бульбашками газу, які роздувають ці струмені в міжзоряному середовищі.

Результати виявилися приголомшливими: миттєва кінетична потужність джетів у Cygnus X-1 еквівалентна сумарному випромінюванню 10 000 таких зірок, як наше Сонце. Швидкість речовини у цих струменях сягає приблизно 150 000 кілометрів на секунду, що становить близько половини швидкості світла.

Дослідження, опубліковане в Nature Astronomy, також підтвердило важливий теоретичний показник: приблизно 10 відсотків енергії, що вивільняється під час падіння матерії в чорну діру, виноситься джетами у відкритий космос.

Яка нам з цього користь?

Доктор Стів Прабу, провідний автор дослідження, зазначає, що це відкриття має фундаментальне значення для космології. Хоча це припущення давно використовувалося в моделях формування галактик, воно ніколи не було підтверджене прямими спостереженнями до цього моменту.

Надмасивні чорні діри в центрах галактик створюють потужний зворотний зв'язок, впорскуючи енергію та магнітні поля в оточуючий простір. Це регулює темпи зореутворення та формує структуру галактик протягом мільярдів років. Оскільки фізика чорних дір вважається масштабно-інваріантною (тобто однаковою як для об'єктів масою в кілька сонячних, так і для мільярдів сонячних мас), дані з Cygnus X-1 стають надійним якорем для калібрування моделей у всьому Всесвіті.

Також науковці змогли встановити межі нахилу осі джетів відносно орбіти системи. Виявилося, що це зміщення є незначним – верхня межа становить 8,2 градуса. Це свідчить про стабільність системи протягом останніх 18 років спостережень.

Такі точні вимірювання допоможуть інтерпретувати майбутні дані з нових гігантських обсерваторій, як-от Square Kilometre Array, що зараз будуються в Австралії та Південній Африці.

Вам буде також цікаво: що таке зоря класу O?

Зоря класу O – це найгарячіший і наймасивніший тип зір у стандартній спектральній класифікації. Вона знаходиться на самому "гарячому" кінці цієї шкали. Зорі класу O – це гігантські, дуже яскраві та екстремально гарячі зорі, які світяться блакитно-білим світлом і випромінюють величезну кількість ультрафіолету.

Температура їхньої поверхні зазвичай перевищує 30 000 К і може доходити до ~50 000 К і більше. Маса – від приблизно 15 – 20 мас Сонця і вище, іноді до 100+ мас Сонця. Світність – у десятки тисяч і навіть мільйони разів більша за Сонце.

Чому вони такі "екстремальні"?

Через величезну масу в їхніх ядрах відбувається дуже інтенсивний термоядерний синтез (переважно через CNO-цикл), тому вони виділяють колосальну енергію, швидко "спалюють" своє паливо і живуть дуже мало за космічними мірками. Тривалість життя таких зір – лише кілька мільйонів років, після чого вони зазвичай вибухають як наднові.

Наскільки вони рідкісні

Це найрідкісніший тип зір: у нашій околиці вони становлять мізерну частку, буквально одна на мільйони.