Откритие: как масивни звезди тихо се превръщат в черни дупки

Астрономи са наблюдавали директно как масивна умираща звезда пропуска експлозията на супернова и вместо това колабира в черна дупка. Това събитие предоставя най-подробния досега набор от наблюдения на звезда, преминаваща през този процес, давайки на изследователите необичайно пълна представа за формирането на звездни черни дупки, пише ScienceDaily.

Като комбинират нови данни от телескопи с повече от десет години архивни наблюдения, учените са успели да проверят и усъвършенстват дългогодишни теории за това как най-масивните звезди завършват живота си. Вместо да експлодира във впечатляваща супернова, ядрото на тази звезда е поддало под гравитацията и е формирало черна дупка. В процеса нестабилните външни слоеве на звездата са били постепенно избутвани навън.

Откритията, публикувани на 12 февруари в списание Science, привличат внимание, защото предоставят рядък поглед върху раждането на черна дупка. Резултатите могат да помогнат за обяснение защо някои масивни звезди експлодират драматично в края на живота си, докато други колабират тихо.

„Това е само началото на историята,“ казва Кишалай Де, асоцииран научен сътрудник в Института Флатайрон на Фондация Саймънс и водещ автор на новото изследване.

Светлината от прашните остатъци около новородената черна дупка, според него, „ще бъде видима в продължение на десетилетия на чувствителността на телескопи като Джеймс Уеб, защото постепенно ще продължи да избледнява. Това може да се превърне в еталон за разбирането как се формират звездните черни дупки във Вселената.“

Изчезването на звездата M31-2014-DS1 

Звездата, известна като M31-2014-DS1, се намирала на около 2,5 милиона светлинни години в галактиката Андромеда. Де и колегите му изследвали данни, събирани между 2005 и 2023 година от мисията НАСА NEOWISE, заедно с други наземни и космически телескопи. Те открили, че звездата започнала да става по-ярка в инфрачервената светлина през 2014 г., а през 2016 г. яркостта ѝ рязко паднала за по-малко от година.

През 2022 и 2023 г. звездата почти изчезнала във видимия и близкия инфрачервен диапазон, избледнявайки до едно десетхилядно от първоначалната си яркост в тези дължини на вълната. Оставащата светлина сега може да се засече само в средноинфрачервената област, където блести приблизително с една десета от оригиналната си интензивност.

„Тази звезда някога беше една от най-ярките звезди в галактиката Андромеда, а сега я няма никъде. Представете си, ако звездата Бетелгейзе изведнъж изчезне. Всички ще полудеят! Същото се случи с тази звезда в Андромеда,“ казва Де.

Сравнявайки наблюденията с теоретичните прогнози, екипът заключил, че такъв рязък спад в яркостта силно показва, че ядрото на звездата е колабирало и е формирало черна дупка.

Защо някои масивни звезди не експлодират

Звездите светят, защото ядрената синтеза в ядрото им превръща водорода в хелий, създавайки вътрешен натиск, който противодейства на гравитацията. При звезди с маса поне 10 пъти по-голяма от Слънцето този баланс накрая се нарушава, когато ядреното гориво намалее. Тогава гравитацията превъзхожда натиска навън, причинявайки колапс на ядрото и формиране на плътен неутронен звезден остатък.

В много случаи потокът от неутрино, отделен по време на колапса, генерира мощна ударна вълна, която разкъсва звездата в супернова. Но ако ударната вълна е твърде слаба, за да изхвърли околната материя, голяма част от звездата може да се върне навътре. Теоретичните модели отдавна предполагат, че този „fallback“ може да превърне неутронната звезда в черна дупка.

„Знаем от почти 50 години, че черните дупки съществуват,“ казва Де, „но едва сега започваме да разбираме кои звезди се превръщат в черни дупки и как точно се случва това.“

Подробното изследване на M31-2014-DS1 помогнало на учените да преразгледат и друг подобен обект, NGC 6946-BH1, идентифициран десетилетие по-рано. Анализът на двата случая разкрива важен липсващ елемент в разбирането какво се случва с външните слоеве на звездата след неуспешна супернова – отговорът се крие в конвекцията.

Конвекцията възниква от големи температурни разлики вътре в звездата. Ядрото е изключително горещо, докато външните слоеве са много по-студени. Този контраст предизвиква циркулация на газа между горещите и студените области.

Когато ядрото колабира, външният газ все още се движи заради този процес. Според модели, разработени в Института Флатайрон, това движение предотвратява по-голямата част от външната материя да падне директно в черната дупка. Вместо това някои вътрешни слоеве обикалят около черната дупка, а най-външните слоеве се избутват навън.

Докато изхвърлената материя се отдалечава, тя се охлажда. При по-ниски температури атомите и молекулите се съединяват, образувайки прах. Този прах блокира светлината от по-горещия газ близо до черната дупка, абсорбира енергия и я излъчва повторно в инфрачервени дължини на вълната. Резултатът е продължително червеникаво сияние, което може да продължи десетилетия след изчезването на оригиналната звезда.

Съавторът и научен сътрудник Андреа Антони разработва теоретичната рамка зад тези конвективни модели. Според нея „скоростта на акреция – скоростта, с която материята пада навътре – е много по-бавна, отколкото ако звездата се беше сринала директно. Тази конвективна материя има ъглов момент, така че се обикаля около черната дупка. Вместо да пада за месеци или година, процесът отнема десетилетия. Заради това източникът става по-ярък, отколкото би бил иначе, и наблюдаваме забавяне в избледняването на първоначалната звезда.“

Подобно на вода, спираща по водопроводен канал вместо да пада право надолу, газът продължава да обикаля новообразуваната черна дупка, докато гравитацията постепенно го привлича навътре. Това забавено падане означава, че цялата звезда не колабира наведнъж. Дори след бързия колапс на ядрото, част от материята се връща бавно в продължение на десетилетия.

Учените изчисляват, че само около един процент от първоначалната външна обвивка на звездата накрая храни черната дупка, което произвежда слабата светлина, която се наблюдава и днес.

По-широка картина за формирането на черни дупки

Докато анализирали M31-2014-DS1, екипът преразгледал и NGC 6946-BH1. Новото изследване предоставя силни доказателства, че и двете звезди са следвали подобен път. Това, което първоначално е изглеждало като необичаен случай, сега се оказва част от по-широка категория неуспешни супернови, които тихо създават черни дупки.

„Първоначално M31-2014-DS1 изглеждаше като ‘странна звезда’, но сега се оказва, че е един от няколко примера, включително NGC 6946-BH1,“ казва Де. „Само с такива индивидуални открития започваме да съставяме цялостна картина като тази,“ добавя той.