Астрофизики предложили новый механизм рождения планет возле черных дыр

Международная группа астрофизиков под руководством ученых из Центра Коперника (Польша) и Университета штата Нью-Мексико (США) представила исследование, согласно которому в пылевых торах активных ядер галактик (AGN) могут рождаться десятки миллионов планет юпитерианской массы, а также коричневые карлики и звезды. Обнаружено, что процесс, известный как стриминговная неустойчивость, способен эффективно собирать пыль в сверхплотные нити, которые затем коллапсируют в массивные объекты. Препринт работы опубликован на сервере arXiv (код 2605.19241v1) и принят к публикации в журнале The Astrophysical Journal.

Представьте себе не просто галактику, а ее самое сердце, сверхмассивную черную дыру, окруженную раскаленным диском из газа и пыли. Обычно мы думаем об этой среде как о очень неблагоприятной, где материя обречена на падение в бездну. Однако новая работа астрофизиков рисует совершенно иную картину: внешние области таких дисков, несмотря на всю свою разрушительную мощь, по температуре оказываются удивительно похожи на те холодные протопланетные диски, где, как считается, сформировалась Солнечная система. Это открывает поразительную возможность: механизмы, которые создали Землю и Юпитер, могут работать и в гигантских масштабах вокруг черных дыр.

В отличие от обычных звездных дисков, диски вокруг черных дыр сталкиваются с проблемой собственной гравитации, так как они настолько массивны, что могут схлопнуться под собственным весом. Авторы использовали модель, в которой диск удерживается от разрушения мощным магнитным полем (с параметром βm = 0.01, что означает очень сильную намагниченность). Эта магнитная «подпорка» позволяет диску оставаться толстым и стабильным, а температура в его внешней части падает настолько, что из газа начинает конденсироваться пыль, первый кирпичик планетообразования.

Главный герой этого процесса — так называемая стриминговная неустойчивость. В обычных протопланетных дисках она отвечает за слипание пылинок в камни, а затем в планетезимали. В диске AGN этот же эффект работает несравненно эффективнее. Зерна пыли, вырастая из субмикронных размеров, начинают испытывать сопротивление газа и собираются в плотные филаменты. Ширина таких нитей определяется параметром η (радиальным градиентом давления), а их масса может достигать… солнечных масс! Внешние области диска с черной дырой в 10 миллионов солнечных масс способны порождать нити, содержащие миллионы юпитерианских масс чистой пыли. Эти нити не остаются стабильными, они фрагментируются.

Ключевой результат расчетов заключается в характерной массе рождающихся объектов. Используя масштабированные формулы из гидродинамических симуляций, авторы показывают, что эти «планетезимали» в AGN имеют массу порядка массы Юпитера или даже выше.

Более того, во многих зонах диска масса таких сгустков превышает предел зажигания водорода (около 0.08 массы Солнца). Это означает, что чисто пылевой комок, без какого-либо газа, может напрямую родиться уже в статусе коричневого карлика или даже самой настоящей звезды — крайне экзотический объект, предсказанный ранее лишь теоретически и теперь обретающий конкретный механизм формирования.

После рождения «семя» планеты начинает расти дальше за счет аккреции гальки, того самого пылевого материала, который не успел схлопнуться. Время удвоения массы за счет этого процесса варьируется от тысячи до десятков миллионов лет, в зависимости от удаления от черной дыры. При этом основным режимом здесь является трехмерная аккреция Бонди, когда объект захватывает вещество со всех сторон, а не только из тонкого слоя.

Любопытно, что обычный барьер для роста планет, так называемая изолирующая масса, когда растущее тело прорезает щель в диске и блокирует поток гальки, в случае AGN оказывается выше предела ядерного горения. То есть пеббл-аккреция (от англ. pebble — галька, процесс захвата и роста небесного тела за счет столкновений с мелкими камешками, сантиметровыми и метровыми обломками) останавливается не из-за диска, а из-за того, что объект зажигает свою собственную звезду и обратным излучением начинает разгонять окружающую материю. Аккреция газа идет параллельно, но отстает от пылевой на 3–4 порядка, так что газ включается в игру позже, когда объект уже набирает значительную массу.

В итоге, согласно модели, один такой диск может произвести десятки миллионов планетных тел. Они не «сидят на месте», — динамические взаимодействия будут толкать более тяжелые объекты внутрь, к черной дыре, а легкие наружу. Часть из них сольется, часть упадет на центральный объект, а часть останется висеть в виде эшелонированного роя.

В результате данная работа предлагает принципиально новое видение активных ядер галактик не как исключительно разрушительных монстров, а как колыбелей для рекордно большого числа миров. Если модель верна, то именно в пылевых торах AGN может находиться самая многочисленная популяция планет во Вселенной, включая и звезды. Это открывает мост между физикой экзопланет и динамикой роста черных дыр, предсказывая существование уникальных объектов, от железных юпитеров до промежуточных черных дыр, рожденных из коллапса сверхмассивных звезд, выросших в таких дисках. Наблюдательно это можно проверить, ища характерные затмения рентгеновского излучения ядер галактик, вызванные прохождением этих «камней» на фоне источника.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях