Исчезнувшая во тьме: астрономы увидели коллапс массивной звезды в черную дыру

Традиционно гибель массивных звезд ассоциируется с грандиозными вспышками сверхновых, затмевающими целые галактики, но теперь астрономы стали свидетелями события совершенно иного рода — тихого, медленного и от того еще более загадочного исчезновения. Именно такое событие, как выяснилось, произошло на расстоянии 2,5 миллионов световых лет от нас в галактике Туманность Андромеды со звездой, известной под индексом M31-2014-DS1. Когда-то она входила в число ярчайших звезд своей галактики, но теперь ее практически не видно. Это не просто очередное астрономическое наблюдение, а первый случай, когда ученым удалось составить настолько полную физическую картину превращения звезды в черную дыру, объединив более чем десятилетний архив данных с самыми свежими снимками.

История этого превращения началась не сегодня. Еще в 2014 году инфракрасные датчики космического телескопа NEOWISE зафиксировали странное усиление свечения звезды. Это было первым признаком того, что в ее недрах происходят необратимые изменения. Однако затем, в 2016 году, случилось необъяснимое: звезда, вместо того чтобы вспыхнуть, стремительно потускнела, потеряв большую часть своей светимости всего за один год.

К 2023 году астрономы констатировали, что в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне звезда стала в десять тысяч раз тусклее. Она практически исчезла. Единственное, что осталось, это слабое мерцание в среднем инфракрасном диапазоне, которое, однако, все еще в десять раз ярче, чем должно было бы быть у мертвой звезды. Именно это противоречие — исчезновение в одном спектре и аномальное свечение в другом — и стало ключом к разгадке.

Объединив усилия, команда ученых под руководством Кишалая Де из Института Флэтайрон пришла к выводу, что ядро звезды коллапсировало в черную дыру, но сам процесс коренным образом отличался от классических сценариев. В стандартной модели, когда у массивной звезды заканчивается топливо, гравитация берет верх, ядро сжимается, образуя нейтронную звезду, а мощный поток нейтрино создает ударную волну, которая разрывает внешние слои, разбрасывая их по космосу. Однако в случае M31-2014-DS1 этот механизм дал сбой. Ударная волна оказалась недостаточно мощной, чтобы вытолкнуть вещество наружу, и большая часть материи начала падать обратно на нейтронную звезду, в конце концов превратив ее в черную дыру.

Но самым ценным открытием стало не просто подтверждение факта коллапса, а понимание того, как именно умирает такая звезда. Исследователи обнаружили, что решающую роль в этом процессе играет конвекция. Внутри любой звезды, и особенно на финальных стадиях ее жизни, вещество находится в постоянном хаотическом движении из-за чудовищной разницы температур между раскаленным ядром и холодными внешними слоями. Когда ядро схлопнулось, эти турбулентные потоки не позволили внешней оболочке мгновенно рухнуть внутрь черной дыры. Вместо стремительного, подобного водопаду, падения, материя начала закручиваться вокруг новорожденной черной дыры, подобно воде, уходящей в сливное отверстие.

Это открытие изменило прежние представления о временных масштабах. Оказалось, что падение вещества может растягиваться не на месяцы, а на годы. Газ, обладающий огромным угловым моментом, не падает прямо, а формирует аккреционный диск. Постепенно удаляясь от горячей зоны и охлаждаясь, атомы в этом диске начали соединяться в молекулы и образовывать пыль. Эта плотная пылевая завеса, окружившая черную дыру, сыграла роль ловушки: она поглощает коротковолновое излучение и переизлучает его в более длинном, среднем инфракрасном диапазоне.

Именно это переизлучение астрономы и наблюдают сегодня как устойчивое красное свечение. Звезда как таковая мертва, но ее «призрак» в виде нагретой пыли будет виден космическому телескопу Джеймсу Уэббу еще долгие годы, медленно угасая.

Важность этого наблюдения выходит далеко за рамки судьбы одной звезды в соседней галактике. Переосмыслив данные десятилетней давности о другом похожем объекте, NGC 6946-BH1, ученые поняли, что M31-2014-DS1 — не уникальная аномалия, а представитель целого класса так называемых «неудавшихся сверхновых».

Оказывается, лишь около одного процента первоначальной массы внешней оболочки в конечном итоге попадает в черную дыру, подпитывая ее свечение. Остальная материя годами кружит на орбите, постепенно рассеиваясь. Это объясняет, почему черные дыры звездной массы так трудно обнаружить в момент их рождения: они не сообщают о себе яркой вспышкой, а тихо исчезают.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях