Приливные силы разрывают звезду, приблизившаяся к черной дыре, — это явление известно как «событие приливного разрушения». Описание подобных процессов впервые появилось в теории полвека назад и с тех пор было значительно доработано. Однако существует проблема: подходящих кандидатов для наблюдения таких событий немного, а их наблюдаемые параметры существенно расходятся с теоретическими предсказаниями. Решение этой проблемы было найдено благодаря новой симуляции, выполненной на австралийском суперкомпьютере.
Наблюдаемые объекты, потенциально подверженные приливному разрушению ( TDE, Tidal disruption event) выглядят существенно иначе, чем предсказывает теория. Их светимость в сотню раз ниже ожидаемого уровня для вещества, которое эффективно поглощается черной дырой. При этом температура излучающего вещества соответствует не аккреционному диску, а звезде. Кроме того, значительная часть излучения, исходящего от TDE, находится в видимом диапазоне, а не в рентгеновском.
Вопросы, касающиеся черных дыр, не исчерпываются этими наблюдениями. К примеру, скорость движения вещества, излучающего энергию, также не соответствует характеристикам материала, падающего на аккреционный диск черной дыры. При этом в отдельных ситуациях некоторая часть вещества демонстрирует чрезвычайно высокую скорость – почти 0,5% от скорости света – и движется в сторону наблюдателя.
Существующие расхождения с теоретическими положениями усложняют подтверждение гипотезы о приливном разрушении. Очевидно, что наше понимание этих процессов не является полным, и это требует корректировки.
В новой научной работе, опубликованной в рецензируемом журнале The Astrophysical Journal Letters, астрономы описали результаты симуляции TDE с учетом динамики вещества разрушенной звезды на протяжении года. Выводы весьма любопытны: чтобы объяснить все отличия наблюдаемых событий приливного разрушения от предсказанных теорией, последнюю даже не нужно изменять. Получилась ситуация, аналогичная внешнему виду черных дыр, которые до фильма «Интерстеллар» визуализировали совсем иначе, а после — обязательно с видимым из-за гравитационного линзирования обратным краем аккреционного диска.
В случае с TDE теоретические представления попросту не могли учесть сложного поведения останков звезды вокруг черной дыры. В аккреционный диск собирается далеко не все вещество почившего светила, значительная его часть под действием приливных сил получает ускорение. Оно настолько велико, что газ формирует гало на значительном расстоянии вокруг черной дыры — так называемую эддингтоновскую оболочку.
Часть газа приобретает ускорение, которое позволяет ему преодолеть гравитационное притяжение черной дыры, и таким образом покидает ее, направляясь в межзвездное или межгалактическое пространство со скоростью от 0,1 до 0,5 световых лет в год.
Гало, образовавшееся вокруг черной дыры, хоть и достаточно слабое, обладает достаточной плотностью для поглощения значительной части излучения аккреционного диска. Энергия, полученная таким образом, переизлучается эддингтоновской оболочкой в видимом или инфракрасном диапазоне. Поэтому большая часть кандидатов в TDE обладает светимостью, характерной для раскаленных излучением облаков газа (звезд).
Необходимо понимать, что приливное разрушение – это процесс, занимающий определенное время. Гало, состоящее из обломков разорванной звезды, вокруг черной дыры формируется постепенно и неравномерно, а траектории движения частиц вещества имеют сильно вытянутую форму. Таким образом, угол обзора оказывает влияние на TDE может выглядеть яркой высокоэнергетической вспышкой, которая становится тусклее, но интенсивнее в видимом и инфракрасном диапазонах.
Благодаря детальной имитации поглощения звезды, сравнимой по массе с Солнцем, чёрной дырой, обладающей массой в миллион солнечных, значительно расширились научные знания о процессах приливного разрушения. Для проведения такой симуляции потребовался высокопроизводительный программно-аппаратный комплекс, включающий код для гидродинамики сглаженных частиц Phantom и неуказанное количество часов процессорного времени суперкомпьютера OzSTAR.