Почему звезды загадочным образом исчезают с ночного неба?

Техническое впечатление о двоичной системе VTFS 243. Фото: ESOL. Кальсада CC BY 4.0

Астрофизики из Копенгагенского университета помогают объяснить загадочный феномен, когда звезды внезапно исчезают с ночного неба. Их исследование необычной двойной звездной системы дало убедительные доказательства того, что массивные звезды могут полностью коллапсировать и превращаться в черные дыры без взрыва сверхновой.

Однажды звезда в центре нашей солнечной системы, Солнце, начнет расширяться, пока не поглотит Землю. Затем оно будет становиться все более нестабильным, пока в конечном итоге не превратится в маленькое плотное тело, известное как белый Гном.

Однако, если бы Солнце было примерно в восемь или более раз массивнее, оно, скорее всего, взорвалось бы в результате мощного взрыва – в форме сверхновой. Его коллапс вызовет взрыв, выбросивший энергию и массу в космос с огромной силой, прежде чем оставить после себя огромную массу энергии. Нейтронная звезда Или черная дыра на ее пути.

Хотя это базовые знания о том, как умирают массивные звезды, еще многое предстоит понять о звездном небе и, в частности, о впечатляющей смерти этих звезд.

Двойная звездная система VFTS 243 расположена в карликовой галактике «Большое Магелланово Облако» в окрестностях Млечного Пути. Магеллановы Облака — галактики-спутники Млечного Пути. Эти карликовые галактики, вращающиеся вокруг центра галактики, можно увидеть только из южного полушария. Здесь их можно увидеть над вспомогательными телескопами Очень Большого Телескопа (VLT) Европейской Южной Обсерватории в Паранале, Чили. Фото: Х.К. Муньос/ESO.

Новое исследование астрофизиков из Института Нильса Бора при Копенгагенском университете предоставляет убедительные доказательства того, что очень массивные звезды могут подвергаться гораздо большей скрытности и секретности, чем сверхновые. Фактически, их исследования показывают, что при достаточной массе гравитация звезды может быть настолько сильной, что после ее гибели не произойдет взрыва. Альтернативно, звезда может подвергнуться так называемому полному коллапсу.

«Мы считаем, что ядро ​​звезды может рухнуть под собственным весом, как это происходит с массивными звездами на заключительной стадии их жизни. Солнца, коллапс продолжается до тех пор, пока звезда не станет звездой. Черная дыра«Поясняет первый автор Алехандро Винья-Гомез, который был научным сотрудником Института Нильса Бора, когда началось это исследование.

Факты и мифы: Исчезающие звезды

В наше время было сделано много наблюдений по поводу Звезды, которые исчезают необъяснимо.

«Опрос ни о чем». Возглавляемая астрофизиком Крисом Кочанеком, это пример исследовательской работы, которая активно ищет исчезающие звезды и объяснения их исчезновения.

Любознательный читатель также может углубиться в исторические описания. Часто это связано с внезапным исчезновением ярких звезд, что соответствует сценариям сверхновых. Но есть и другие истории о внезапно исчезающих звездах, например, греческий миф, связанный со звездным скоплением Плеяды, известным как Семь сестер. Миф о Плеядах описывает семь дочерей великана Атласа и нимфы Плейоны. Согласно легенде, одна из их дочерей вышла замуж за человека и скрылась, что дает очень ненаучное, но красивое объяснение того, почему мы видим только… Шесть звезд в Плеядах.

Это открытие связано с явлением исчезновения звезд, вызвавшим интерес астрономов в последние годы, и может дать наглядный пример и разумное научное объяснение явлениям такого типа.

«Если бы кто-то стоял и смотрел на видимую звезду, претерпевающую полный коллапс, со временем это могло бы быть похоже на наблюдение за тем, как звезда внезапно погасла и исчезла с неба. Коллапс был настолько полным, что не произошло никакого взрыва, ничего не ускользнуло, и можно было бы это увидеть. Нет яркой сверхновой в ночном небе Астрономы уже недавно заметили внезапное исчезновение ярких звезд. «Мы не можем быть уверены в связи, но результаты, полученные нами в результате анализа VFTS 243, значительно приблизили нас к достоверному объяснению». говорит Алехандро Винья-Гомес.

Вид с космического телескопа Уэбб на туманность Тарантул, где находится VTFS 243. Изображение предоставлено НАСА, ЕКА, CSA и STScI.

Необычная звездная система без признаков взрыва

Открытие было вызвано недавним наблюдением необычной двойной звездной системы на краю нашей галактики под названием VFTS 243. Здесь массивная звезда и черная дыра примерно в десять раз больше, чем наше Солнце, вращаются вокруг друг друга.

Ученым известно, что во Вселенной существуют такие двойные звездные системы Млечный Путь На десятилетия звезда превратилась в черную дыру. Но недавнее открытие VFTS 243 за пределами Млечного Пути в Большом Магеллановом Облаке — это нечто действительно особенное.

Факты: Черные дыры

Даже свет не может вырваться из черных дыр. Как таковые, их невозможно наблюдать непосредственно. Однако некоторые черные дыры можно узнать по большому количеству энергии, выделяемой газами, вращающимися вокруг них. Другие, как в случае с VFTS 243, можно наблюдать по их влиянию на звезды, вокруг которых они вращаются.

В целом астрономы считают, что существует три типа черных дыр:

Звездные черные дыры, подобные той, что находится в VFTS 243, образуются, когда коллапсируют звезды, масса которых более чем в восемь раз превышает массу Солнца. Ученые полагают, что только в нашей галактике их может быть до 100 миллионов.

Считается, что сверхмассивные черные дыры — от 100 000 до 10 миллиардов раз больше массы Солнца — существуют в центрах почти всех галактик. Стрелец А* — сверхмассивная черная дыра в центре нашей галактики Млечный Путь.

Черные дыры промежуточной массы (ЧДМ) — от 100 до 100 000 раз больше массы нашего Солнца — долгое время были недостающим звеном. В последние годы появился ряд заслуживающих доверия кандидатов.

Существуют также теории, описывающие другие типы черных дыр, которые еще не открыты. Предполагалось, что одна из этих дыр, названная первичными черными дырами, образовалась в начале Вселенной и теоретически могла быть микроскопической.

«Обычно события сверхновых в звездных системах можно измерить по-разному после того, как они произошли. Но несмотря на то, что VFTS 243 содержит звезду, коллапсировавшую в черную дыру, никаких следов взрыва VFTS 243 не обнаружено нигде. «Орбита системы практически не изменилась с тех пор, как звезда превратилась в черную дыру», — говорит Алехандро Винья-Гомез.

Исследователи проанализировали данные наблюдений на предмет ряда признаков, которые можно было ожидать от звездной системы, пережившей в прошлом взрыв сверхновой. В общем, доказательства такого события они находят простыми и неубедительными.

Система не демонстрирует никаких признаков значительного «родового удара», то есть ускорения орбитальных объектов. Она также очень симметрична, почти идеально круглая на своей орбите, а остаточные признаки выделения энергии во время коллапса ядра предыдущей звезды указывают на тип энергии, соответствующий полному коллапсу.

«Наш анализ однозначно указывает на тот факт, что черная дыра в VFTS 243, вероятно, образовалась мгновенно, при этом энергия терялась в основном за счет нейтрино», — говорит профессор Ирен Тамбора из Института Нильса Бора, которая также принимала участие в исследовании.

Справочная система для будущих исследований

По словам профессора Тамборы, VFTS 243 открывает возможность сравнения ряда астрофизических теорий и модельных расчетов с реальными наблюдениями. Она ожидает, что звездная система будет важна для изучения эволюции и коллапса звезд.

«Наши результаты подчеркивают, что VFTS 243 является лучшим наблюдаемым на данный момент случаем теории звездных черных дыр, образовавшихся в результате полного коллапса, где взрыв сверхновой, который, как показали наши модели, возможен, терпит неудачу. Это важный реальный тест для этих моделей. — говорит профессор. — Мы, конечно, ожидаем, что «система послужит важнейшим ориентиром для будущих исследований эволюции и коллапса звезд».

Дополнительная информация: отсутствует «родовой удар» и другие (отсутствующие) признаки сверхновой.

«Родового удара» здесь нет

Мощные силы сверхновой напрямую воздействуют на новорожденные нейтронные звезды или оставшиеся после них черные дыры из-за асимметричного выброса вещества во время взрыва. Это то, что исследователи называют «родовым толчком». Этот удар заставляет сжатое тело ускоряться. В результате рождения нейтронные звезды обычно приобретают измеримую скорость от 100 до 1000 километров в секунду. Ожидается, что скорость для черных дыр будет ниже, но она все равно значительна.

Поскольку черная дыра в VFTS 243, по-видимому, ускорилась примерно до 4 км/с, у нее нет никаких признаков того, что она получила серьезный толчок при рождении, как можно было бы ожидать, если бы она подверглась воздействию сверхновой.

Точно так же симметрия орбиты звездной системы обычно показывает признаки того, что она испытала воздействие сильного взрыва сверхновой из-за происходящего выброса вещества. Вместо этого исследователи обнаружили симметрию.

«Орбита VFTS почти круглая, и наш анализ показывает, что во время коллапса нет признаков значительной асимметрии. Это еще раз указывает на то, что взрыва не было», — говорит Алехандро Винья Гомес.

Энергетический взрыв

Анализируя орбиту двойной звездной системы, команда также смогла вычислить количество массы и энергии, выделившееся при образовании черной дыры.

Их оценки соответствуют сценарию, согласно которому меньший удар, произошедший во время коллапса звезды, был вызван не барионной материей, включающей нейтроны и протоны, а так называемыми нейтрино. Нейтрино имеют очень небольшую массу и очень слабо взаимодействуют. Это еще один признак того, что система не пострадала от взрыва.

Ссылка: «Ограничения на выбросы натальных нейтрино из двойной черной дыры VFTS 243» Алехандро Винья-Гомез, Райнхольд Уилкокс, Ирен Тамбора, Илья Мандель, Маттео Ренцо, Том Вааг, Ханс-Томас Янка, Дэниел Кресс, Джулия Боденштайнер, Томер Шенар и Томас М. . Торрес, 9 мая 2024 г., Письма о физическом осмотре.
doi: 10.1103/PhysRevLett.132.191403

В исследовании приняли участие следующие исследователи:

Алехандро Винья-Гомес, Ирен Тамбора, Ханс Томас Янка, Дэниел Кресс, Райнхольд Уилкокс, Элиа Мандель, Маттео Ренцо, Том Вааг, Джулия Боденштайнер, Томер Шенар, Томас М. Торрес

Исследователи принадлежат к нескольким научно-исследовательским учреждениям:

• Институт Нильса Бора, Копенгагенский университет – Международная академия и Дарк
• Институт астрофизики Макса Планка, Гархинг, Германия
• Институт астрономии Левенского университета, Левен, Бельгия
• Школа физики и астрономии Университета Монаша, Клейтон, Австралия
• Центр передового опыта ARC по обнаружению гравитационных волн, Осграф, Австралия
• Центр вычислительной астрофизики, Институт Флэтайрон, Нью-Йорк, США
• Стюардская обсерватория, Университет Аризоны, Тусон, США
• Кафедра астрономии, Вашингтонский университетСиэтл, США
• Технический университет Мюнхена, факультет естественных наук ТУМ, факультет физики, Гархинг, Германия
• Европейская южная обсерватория, Гархинг, Германия
• Факультет физики и астрономии Тель-Авивского университета, Тель-Авив, Израиль
• Ольборгский университет, Ольборг, Дания