Астрономы стали свидетелями уникального космического события – прямого коллапса массивной умирающей звезды в черную дыру, который произошел без традиционного для таких объектов грандиозного взрыва сверхновой. Это наблюдение позволило получить самый подробный на сегодняшний день набор данных о подобном процессе, предоставив ученым почти полное представление о том, как рождаются черные дыры звездной массы.
Объединив свежие данные телескопов с архивными записями за более чем десятилетие, исследователи смогли проверить и уточнить существующие теории о финальных стадиях жизни самых массивных звезд. Вместо того чтобы взорваться, ядро этой звезды не выдержало собственной гравитации и схлопнулось, образовав черную дыру. В ходе этого процесса ее нестабильные внешние слои были постепенно выброшены в окружающее пространство. Результаты исследования, опубликованные в журнале Science, помогают понять, почему одни гигантские звезды завершают свой путь яркой вспышкой, а другие угасают почти незаметно.
В центре внимания оказалась звезда под названием M31-2014-DS1, расположенная в галактике Андромеды на расстоянии около 2,5 миллионов световых лет от нас. Анализируя данные, собранные с 2005 по 2023 год, ученые обнаружили, что в 2014 году звезда начала становиться ярче в инфракрасном диапазоне, а уже в 2016 году ее яркость резко упала. К 2023 году в видимом и ближнем инфракрасном свете звезда практически исчезла, потускнев до одной десятитысячной от своей прежней светимости. То, что от нее осталось, теперь можно зафиксировать только в среднем инфракрасном диапазоне.
«Эта звезда была одной из самых ярких в галактике Андромеды, а теперь ее просто не стало, – говорит ведущий автор исследования Кишалай Де из Института Флэтайрон. – Представьте, если бы внезапно исчезла звезда Бетельгейзе. Это вызвало бы всеобщее изумление! Нечто подобное произошло и с этой звездой». Сравнив наблюдения с теоретическими моделями, команда пришла к выводу, что такое экстремальное падение яркости убедительно свидетельствует о коллапсе ядра звезды в черную дыру.
Теоретические модели давно предсказывали возможность так называемых «неудавшихся сверхновых». В обычных условиях, когда у массивной звезды заканчивается ядерное топливо, гравитация сжимает ее ядро, что вызывает мощную ударную волну, разрывающую звезду на части. Но если эта волна оказывается недостаточно сильной, чтобы выбросить внешние слои, большая часть звездного вещества устремляется обратно к центру. Новое исследование показало, что ключевую роль в этом процессе играет конвекция – перемешивание вещества из-за огромной разницы температур между ядром и поверхностью звезды.
Благодаря этому «кипению» внешние слои звезды обладают вращательным моментом. Когда ядро коллапсирует, это движение не дает веществу сразу же упасть в новорожденную черную дыру. Вместо этого оно начинает вращаться вокруг нее, подобно воде, закручивающейся в воронке над сливным отверстием. Внутренние слои формируют диск, а самые внешние выбрасываются наружу. Этот процесс затягивается на десятилетия, а не происходит за месяцы или год.
Постепенно удаляясь, выброшенное вещество остывает, и из атомов формируются частицы пыли. Эта пыль поглощает свет от более горячего газа у черной дыры и переизлучает его в виде инфракрасного свечения. Именно это остаточное тепло и наблюдают сегодня астрономы. Новые данные помогли переосмыслить и похожий случай, зафиксированный десятилетием ранее, подтвердив, что тихое угасание может быть распространенным сценарием образования черных дыр.
По словам Кишалая Де, свет от пылевого облака, окружающего новорожденную черную дыру, будет виден еще десятилетия с помощью таких телескопов, как «Джеймс Уэбб». «Это только начало истории, – отмечает ученый, – и данное событие может стать эталоном для понимания того, как формируются черные дыры звездной массы во Вселенной».
