Что происходит с черной дырой после поглощения звезды: ответ ученых

Когда звезда проходит слишком близко к сверхмассивной черной дыре, приливные силы разрывают ее на части, вызывая яркую вспышку излучения, и материал звезды падает в черную дыру. Астрономы хотят понять, как питаются сверхмассивные черные дыры, скрывающиеся в центрах галактик. Для этого они изучают эти события приливного разрушения (tidal disruption event, TDE), также известные как вспышки приливного разрушения. Новые наблюдения TDE, проводимые астрономами из Калифорнийского университета в Санта-Крус, предоставили четкое свидетельство того, что обломки звезды образуют вращающийся (аккреционный) диск вокруг черной дыры. Теоретики обсуждают, может ли аккреционный диск эффективно формироваться во время приливного разрушения, и новые результаты, принятые для публикации в Astrophysical Journal должны помочь решить этот вопрос.

В классической теории вспышка TDE приводится в действие аккреционным диском, излучающим рентгеновские лучи из внутренней области, где горячий газ по спирали попадает в черную дыру. Но для большинства TDE мы не видим рентгеновские лучи, поэтому было высказано предположение, что вместо диска мы наблюдаем выбросы от столкновения потоков звездных обломков. - Тиара Хунг, доктор наук, исследователь Калифорнийского университета.

Соавторы Энрико Рамирес-Руис, профессор астрономии и астрофизики в UCSC, и Джейн Дай из Университета Гонконга разработали теоретическую модель, опубликованную в 2018 году, которая может объяснить, почему рентгеновские лучи обычно не наблюдаются в TDE, несмотря на формирование аккреционного диска. Новые наблюдения убедительно подтверждают эту модель.

«Это первое твердое подтверждение того, что в этих событиях образуются аккреционные диски, даже когда мы не видим рентгеновские лучи», —заявил Рамирес-Руис. «Область, близкая к черной дыре, закрыта оптически толстым ветром, поэтому мы не видим рентгеновское излучение, но видим оптический свет от вытянутого эллиптического диска».

Однако в своей новой работе Хунг и ее соавторы на примере события приливного разрыва под названием AT 2018hyz, зарегистрированного в 2018 г. при помощи обзора неба All Sky Automated Survey for SuperNovae (ASAS-SN) демонстрируют, что в действительности при приливном разрыве происходит формирование именно аккреционного диска.

Доказательством в пользу этой гипотезы стали сдвоенные эмиссионные линии водорода со стороны этого источника, указывающие на допплеровское расщепление, обусловленное, как считают авторы, тем, что одна часть материала аккреционного диска движется в сторону наблюдателя, а другая – в сторону от наблюдателя. Согласно ученым, формирование диска протекает очень быстро – на протяжении нескольких недель. Отсутствие наблюдаемых сдвоенных линий водорода для большинства других событий приливного разрыва исследователи объясняют тем, что в этих случаях диск оказывается наклонен под другими углами к линии наблюдения, не позволяющими четко фиксировать допплеровское расщепление линий.

Модель ультрафиолетового и оптического излучения от приливного разрушения AT 2018hyz показана на этой схематической диаграмме. Поскольку аккреционный диск формируется быстро после TDE, он генерирует рентгеновское излучение (черные стрелки) на малых радиусах, которое видно только через вертикальную воронку. В других направлениях рентгеновские лучи повторно обрабатываются фотосферой или ветром, питая ультрафиолетовое и оптическое излучение. Эмиссия водорода производится в двух разных местах за пределами фотосферы: на большом эллиптическом диске (с цветовой кодировкой скорости, чтобы показать вращение), к которому присоединяется запасной материал, и в широкой области эмиссионной линии (BLR), которая, вероятно, создается радиацией. попутный ветер (фиолетовая заштрихованная область). 

Также авторы утверждают, что рентгеновское излучение распространяется в неизменном виде лишь вдоль двух взаимно противоположных направлений, перпендикулярных плоскости диска, а во всех других направлениях оно поглощается фотосферой диска или «ветром», дующим с его стороны, и переиспускается в форме видимого и УФ-излучения. Поэтому для большинства наблюдаемых событий приливного разрыва излучения в рентгеновском диапазоне до сих не было зафиксировано.

Помимо Хунга, Фоули, Рамиреса-Руиса и других членов команды UCSC, соавторами статьи также являются ученые из Института Нильса Бора в Копенгагене (где Рамирес-Руис является профессором Нильса Бора); Университет Гонконга; Мельбурнский университет, Австралия; Научный институт Карнеги; и Научный институт космического телескопа.

Наблюдения проводились в обсерватории Лик, обсерватории Кека, телескопе Южных астрофизических исследований (SOAR) и телескопе Свуп в обсерватории Лас-Кампанас в Чили. Эта работа была частично поддержана Национальным научным фондом, Фондом Гордона и Бетти Мур, Фондом Дэвида и Люсиль Паккард и Фондом Хейзинг-Саймонса.