При слиянии двух галактик, содержащих сверхмассивные чёрные дыры в своих центрах, сколько звёзд оказывается уничтоженными.
Учёные из МФТИ, Оксфордского университета и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН оценили, сколько звёзд разрушается при слиянии двух галактик, в центрах которых находятся сверхмассивные чёрные дыры. Астрофизики проверили, могут ли гравитационные эффекты двух сближающихся чёрных дыр объяснить, почему наблюдаемое значение темпа захвата звёзд меньше, чем полученное из простейшей теоретической модели.
В статье, опубликованной в The Astrophysical Journal, исследователи оценили взаимное влияние динамических механизмов на темп захвата звёзд. Продвинутая теоретическая модель дала ещё большее расхождение с наблюдениями, и авторы выдвинули гипотезу о том, что разрушение звёзд в центрах галактик может происходить незаметно для нас.Захват звёзд
Приливное разрушение звёзд, или TDE, — это на сегодняшний день единственный метод получения информации о неактивных галактических ядрах. В центре большинства галактик располагается как минимум одна сверхмассивная чёрная дыра, окружённая плотным скоплением звёзд — галактическим ядром. Чёрные дыры не излучают свет сами, однако они порождают излучение от вещества, которое, падая на сверхмассивный объект, нагревается до экстремально высоких температур и становится наблюдаемым с помощью телескопов.
Активные галактики содержат газовые скопления, которые обеспечивают питание чёрной дыры и делают её видимой. Однако подавляющее большинство галактик (около 90%) не проявляют активности, поскольку в них отсутствуют подобные газовые скопления. В этих галактиках единственным источником вещества для чёрной дыры являются звёзды, которые время от времени приближаются к ней на опасное расстояние. Когда такая «беззащитная» звезда разрушается под воздействием приливных сил, астрономы регистрируют событие приливного разрушения (TDE). На сегодняшний день зарегистрировано лишь около пятидесяти вспышек от TDE, при этом в среднем одна звезда разрушается в каждой галактике раз в 10–100 тыс. лет. Используя эти данные, учёные стремятся создать надёжную модель процессов, происходящих в ядрах неактивных галактик.
Сферическая галактика в вакууме
Наиболее элементарная теоретическая модель предполагает наличие галактики со сферическим ядром, в котором расположен сверхмассивный объект — чёрная дыра. Звёзды, находящиеся вблизи неё, рассеиваются в пространстве скоростей, то есть изменяют траекторию своего движения при взаимодействии друг с другом, аналогично тому, как меняют направление движения бильярдные шары при столкновении.
Если бильярдный шар должен двигаться по прямой к лузе, то у звезды больше свободы в выборе траектории: её скорость должна находиться в пределах так называемого конуса потерь, чтобы её гравитация чёрной дыры захватила и разрушила. Согласно этой упрощенной модели, захват звёзд должен происходить приблизительно раз в 1–10 тыс. лет, что превышает частоту, наблюдаемую в реальности. Эта модель уточняется с учетом различных факторов, таких как различие в массах звёзд, однако все они лишь ускоряют процесс захвата.
Эффект рогатки
В настоящее время научная литература рассматривает лишь один возможный механизм, способный замедлить процесс поглощения звёзд – исчезновение звёзд с низким моментом импульса. Этот процесс можно аналогично представить через диффузию газа: если предположить, что хаотически движущиеся молекулы газа поглощаются стенкой сосуда, то удаление ближайших к стенке слоёв молекул снизит количество поглощаемых молекул за единицу времени, поскольку более удалённым молекулам потребуется дополнительное время для достижения стенки. Аналогичный принцип применим и к чёрной дыре: удаление звёзд из центрального региона приведёт к снижению темпа захвата. Хотя звёзды невозможно просто удалить, наличие в центре галактики двойной чёрной дыры может привести к тому, что налетающая звезда будет выброшена за пределы галактики, совершив гравитационный манёвр.
Это явление также называют эффектом рогатки. Согласно закону сохранения энергии, при получении звездой ускорения, то есть увеличения её кинетической энергии, энергия двойной чёрной дыры должна уменьшиться. Вследствие этого чёрные дыры сближаются, начиная процесс слияния. И, как подтверждено недавним сенсационным открытием, в процессе финального сближения чёрных дыр значительная доля энергии высвобождается в форме гравитационных волн.
Несферическая галактика в вакууме
Несмотря на то, что при слиянии галактик скорость поглощения может снижаться, существует и обратный эффект. Ядро галактики, образовавшейся в результате слияния, отличается от сферической формы. В несферическом ядре звёздные орбиты более интенсивно перемешиваются, что приводит к увеличению количества орбит, пролегающих вблизи чёрной дыры. Слияние способствует росту скорости поглощения, несмотря на то, что эффект «рогатки» должен её уменьшать. Для выяснения того, как эти противоположные эффекты влияют на скорость поглощения, выпускники МФТИ Кирилл Лежнин и Евгений Васильев провели расчёты и изучили изменения скорости поглощения при различных массах центральной чёрной дыры, при разных геометриях центральных скоплений, при разных начальных условиях.
Больше разрушений!
Оказалось, что исключение звёзд из центра посредством гравитационного маневра оказывает влияние только на « сферической галактики в вакууме», однако при слиянии галактик неизбежна хотя бы небольшая несферичность. В результате, в среднем, одна звезда должна разрушаться каждые 10 тыс. лет. Это, с одной стороны, соответствует ранее полученным теоретическим результатам, но, с другой, ставит вопрос о причинах, по которым наблюдаемая частота приливного разрушения звёзд ниже, чем прогнозируют теоретические модели.
Кирилл Лежнин, автор данной статьи и сотрудник лаборатории астрофизики и физики нелинейных процессов МФТИ, поясняет: «Как мы продемонстрировали, наблюдаемый медленный темп захвата не может быть объяснен эффектом рогатки. Следовательно, необходимо искать механизм, который не ограничивается изучением звёздной динамики. Возможно, событий приливного разрушения происходит такое же количество, как и было рассчитано. В таком случае, требуется выяснить причину, по которой мы не можем их обнаружить».