Сколько звезд «съедают» черные дыры

Черные дыры сливающихся галактик поглощают меньше звезд, чем должны были бы.

В центре большинства галактик находится как минимум одна сверхмассивная чёрная дыра, которую окружает плотное центральное звёздное скопление – ядро галактики. Чёрная дыра на то и чёрная, что она не излучает. Зато излучает вещество, которое во время падения на сверхмассивный объект нагревается до очень высоких температур – это излучение можно «увидеть» с помощью телескопов.

В активных галактиках есть газовые скопления, которые питают чёрную дыру и тем самым позволяют её заметить. Однако большая часть галактик (около 90%) неактивны – они «молчат», потому что в них нет газовых скоплений. В неактивных галактиках единственный источник вещества для чёрной дыры – звёзды, которые периодически оказываются слишком близко к ней. Когда такая «неосторожная» звезда разрушается приливными силами, астрономы фиксируют событие приливного разрушения (TDE) (англ. tidal disruption event; смоделированное разрушение звезды можно посмотреть здесь).

На данный момент зафиксировано всего около пятидесяти вспышек от TDE, а в среднем на одну галактику одна звезда разрушается раз в 10–100 тыс. лет. И если мы откуда и можем получить информацию о том, что происходит в центре неактивной галактики, то только от TDE.

С помощью данных, полученных от TDE, астрофизики строят модели устройства галактики, и самая простая теоретическая модель – галактика со сферическим ядром, в центре которого находится сверхмассивная чёрная дыра. Вокруг неё вращаются звёзды, которые диффундируют в пространстве скоростей, иными словами, меняют направление своего движения при прохождении вблизи друг от друга, подобно тому, как меняют свою траекторию бильярдные шары при столкновении.

Но если бильярдный шар, чтобы попасть в лузу, должен двигаться прямо по направлению к ней, то у звезды более широкий диапазон направлений: её вектор скорости должен находиться в пределах так называемого конуса потерь, тогда она будет захвачена и разрушена гравитацией чёрной дыры. В соответствии с этой простейшей моделью захват звёзд должен происходить примерно раз в 1–10 тыс. лет, то есть несколько чаще, чем он происходит на самом деле. Модель можно дополнить, приняв во внимание, например, например различия в звездных массах, но у дополненной модели темп захвата только увеличивается.

До сих пор в научной литературе обсуждался лишь один механизм, который может уменьшить темп захвата звёзд – если большинство звёзд с малым моментом импульса исчезнет. Что это означает, можно представить на примере диффузии газа: пусть хаотично движущиеся молекулы газа поглощаются на стенке сосуда, тогда, если убрать ближайшие к стенке ряды молекул, количество поглощаемых молекул за единицу времени уменьшится, так как дальним молекулам ещё нужно добраться до стенки. Так же и с чёрной дырой: если убрать звёзды из центра, темп захвата уменьшится. Звёзды, конечно, нельзя просто так взять и убрать, но если в центре галактики находится двойная чёрная дыра, то налетающая на неё звезда может быть выкинута за пределы галактики, совершив так называемый гравитационный манёвр. Другое название этого явления – эффект рогатки.

По закону сохранения энергии, когда звезда получает ускорение, то есть добавку к своей кинетической энергии, энергия двойной чёрной дыры должна уменьшиться. В результате чёрные дыры становятся ближе друг к другу и начинают сливаться. И, как подтверждено недавним сенсационным открытием, на последних этапах слияния чёрных дыр часть энергии излучается в виде гравитационных волн. (Здесь можно посмотреть компьютерную симуляцию столкновения галактик Млечного Пути и Андромеды.)

Хотя при слиянии галактик темп захвата может уменьшаться, одновременно с этим наблюдается и противоположный эффект. Ядро любой галактики, которая возникла в результате слияния, немного отличается от сферы. В несферическом ядре звёзды сильнее перемешиваются, поэтому больше звёздных орбит пролегает возле чёрной дыры. Из-за слияния темп захвата будет увеличиваться, хотя эффект рогатки должен его уменьшать. Чтобы понять, как эти противоположные эффекты повлияют на темп захвата, выпускники МФТИ Кирилл Лежнин и Евгений Васильев проанализировали, как меняется темп захвата при разных массах центральной чёрной дыры, при разных геометриях центральных скоплений, при разных начальных условиях.

Оказалось, что удаление звёзд из центра гравитационным манёвром имеет значение только для «сферической галактики в вакууме», однако при слиянии галактик будет иметь место хотя бы малая несферичность. В итоге разрушению должна подвергнуться в среднем одна звезда за 10 тыс. лет.

С одной стороны, это согласуется с предыдущими результатами теоретических расчётов, а с другой же – возникает вопрос о том, почему наблюдаемый темп событий приливного разрушения ниже, чем предсказывают теоретические модели. Полученные результаты исследователи их коллеги из Оксфордского университета и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН опубликовали в The Astrophysical Journal.

По словам Кирилла Лежнина, им удалось показать, что «...наблюдаемый низкий темп захвата нельзя объяснить с помощью эффекта рогатки. Значит, нужно искать механизм, выходящий за пределы изучения звёздной динамики. Возможно, событий приливного разрушения происходит столько, сколько мы посчитали. Тогда надо думать, почему мы их можем не видеть».

По материалам пресс-службы МФТИ.