Зафиксировано приливное разрушение звезды черной дырой и последующее образование джета

За почти 12 лет наблюдений за сливающимися галактиками, находящимися в 146 миллионах световых лет от нас, международная команда астрофизиков смогла в деталях изучить процесс разрушения обычной звезды приливными силами сверхмассивной черной дыры. При этом удалось впервые напрямую наблюдать формирование релятивистского джета. Полное количество выделившейся энергии было гигантским: за время наблюдений система потеряла в виде электромагнитного излучения больше, чем Солнце за всю его жизнь.

Рис. 1. Сливающиеся галактики Arp 299 в оптическом диапазоне Arp 299 — это пара неправильных галактик на расстоянии в 146 млн световых лет (45 мегапарсек) от нас, которые на протяжении вот уже около 750 миллионов лет переживают процесс слияния или, если угодно, столкновения. Две галактики этой системы принято обозначать Arp 299-A и Arp 299-B (рис. 1), причем во второй выделяют два ядра: B1 и B2 (см. рис. 5).

Слияние двух галактик не только приносит в каждую из них дополнительные объемы свободного межзвездного газа, но и приводит к возникновению в этом газе ударных волн. А они, в свою очередь, стимулируют образование новых звезд. Таким образом, суммарный темп звездообразования в сливающихся галактиках существенно возрастает, и для системы Arp 299 он оценивается в 100–150 новых звезд в год (в 100 раз больше, чем в Млечном Пути). Звезды в таких системах чаще всего образуются в их центральных (а значит — более плотных) областях.

Ядра Arp 299, по-видимому, содержат сверхмассивные черные дыры (СМЧД) — как и положено центральным областям галактик. В области B1 такая черная дыра уж точно есть, так как там уже давно было обнаружено наличие так называемого активного галактического ядра (АЯГ или AGN — Active Galactic Nucleus) — компактной области, в которой межзвездное вещество, образуя плотный аккреционный диск, обильно падает на сверхмассивную черную дыру, вызывая вспышки излучения, выбросы, образование джетов и другие яркие события. И еще мы знаем, что активное ядро в области B1 скрыто от нас за довольно толстым слоем пыли, которая прозрачна только в жестком рентгеновском диапазоне и поглощает всё остальное излучение.

Рис. 2. Художественное изображение приливного разрушения звезды сверхмассивной черной дырой

Именно в этой области 30 января 2005 года в наблюдениях на четырехметровом телескопе имени Уильяма Гершеля (William Herschel Telescope), расположенном на Канарских островах, был обнаружен транзиентный (то есть внезапно и ненадолго вспыхнувший, см. Transient astronomical event) источник инфракрасного излучения. В течение пяти с лишним лет его яркость постепенно нарастала, а затем начала спадать (рис. 3). Через 10 лет после события источник был еще виден. За столь долгое время наблюдатели смогли его внимательно изучить в разных диапазонах — от радио- до рентгеновского, используя десяток телескопов, включая данные космических обсерваторий «Хаббл» и «Спитцер».

Рис. 3. Развитие инфракрасной светимости транзиента Arp 299-B AT1

То, что мы смогли наблюдать этот транзиент в таком широком диапазоне длин волн, уже говорит о том, что его источник находится не в самом центре активного галактического ядра (скрытого от нас толстым пылевым диском), а несколько отдален от него. Но какова природа этого источника? В чем физическая причина вспышки?

Если сверхмассивная черная дыра в Arp 299-B1 тут ни при чем, то вспышка, скорее всего, является взрывом сверхновой. Если же это событие связано с СМЧД, то возникают две возможности: либо вспышка — это проявление активности галактического ядра (например, поток частиц, выброшенный черной дырой в виде джета, подсветил материю над плоскостью пылевого диска), либо это результат приливного разрушения обычной звезды, пролетевшей слишком близко от СМЧД (см. Tidal disruption event).

Для последнего сценария не важно, активно ядро или нет, — достаточно просто сверхмассивной черной дыры. Интересен этот вариант не только тем, что позволяет «прощупать» сильное гравитационное поле черной дыры, но и тем, что появляется возможность изучить процесс аккреции вещества на релятивистский объект «с самого начала», поскольку существенная часть вещества звезды благополучно падает в СМЧД. Такие события довольно редки: их зарегистрировано не более сотни, а указание на образование джета удавалось обнаружить лишь в единичных случаях.

Наблюдая за Arp 200-B AT1 (такое обозначение получил обсуждаемый транзиент) в радиодиапазоне, исследователи со временем исключили гипотезы о том, что это вспышка сверхновой или проявление АЯГ: наблюдаемый источник показывал расширение со слишком большой скоростью, излучил слишком много энергии (примерно 1052 эрг, для чего Солнцу потребовалось бы 80 миллиардов лет) и с ним оказалась связана структура, очень похожая на джет (и наблюдаемая в радиодиапазоне).

Джеты — узкие релятивистские выбросы вещества, взаимодействующего с черной дырой и окружающим ее магнитным полем, — образуются в ходе аккреции вещества на этот компактный объект. Активные галактические ядра образуют джеты, которые направлены перпендикулярно плоскости аккреционного диска. В случае активного ядра в Arp 299-B1 мы видим этот диск (точнее — окружающий его пылевой тор) почти с ребра. Значит, джет, связанный с АЯГ, должен быть направлен перпендикулярно этому тору.

Но в реальных наблюдениях оказалось, что выброс от Arp 299-B AT1 отклонен от этой прямой на угол 25–35 градусов, — значит, он вызван другим механизмом. И тогда наши теоретические знания оставляют нам только один вариант: это было приливное разрушение звезды. Хотя надо отметить, что направление джета при аккреции на СМЧД определяется в основном самой черной дырой, а именно — «осью ее вращения» (кавычки из-за того, что корректнее говорить о направлении углового момента черной дыры — величины, которую необходимо привлекать для полного и корректного описания орбит пробных тел вблизи ее горизонта событий). Такое направление в рассматриваемой системе, очевидно, единственное, так как система содержит только одну черную дыру. А отклонение джета, связанного с приливным разрушением, вероятно, было вызвано его взаимодействием с окружающей межзвездной средой (рис. 4) и/или большим удельным угловым моментом разрушенной звезды.

Рис. 4. Схема приливного разрушения звезды в центре Arp 299-B

Из-за большой плотности звезд в Arp 299 B1 вероятность близкого пролета обычной звезды около горизонта событий СМЧД с последующим разрушением довольно велика. Вообще, разрушение меньшего (менее массивного) тела приливным взаимодействием большего — типичная для космоса ситуация. Кольца Сатурна, например, возникли как раз таким образом. (Хотя, если говорить более строго, рядом с Сатурном, скорее всего, ничего не разрушалось — там просто ничего крупного не смогло образоваться.) Самый простой способ понять приливное взаимодействие — вспомнить, что сила тяготения (классическая) убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от гравитирующего тела. Поэтому сила, действующая на ближайшую к массивному телу сторону его спутника, будет больше, чем сила, действующая на его дальнюю часть. Эта разница в силах, будучи достаточно большой, способна разорвать спутник.

Для каждой пары из массивного тела и «падающего» на него спутника есть минимальное расстояние, на котором сила самогравитации на поверхности спутника (удерживающая его вещество как единое целое) всё еще больше силы тяготения со стороны массивного тела. Это расстояние называется пределом Роша. Если спутник не просто падает на тело, а движется вокруг него по криволинейной траектории (а то и вращается сам), то суммарная сила тяготения для спутника может еще дополнительно компенсироваться центробежной силой.

В Arp 299 B1 звезда с массой от 2 до 6 масс Солнца вполне могла оказаться слишком близко к СМЧД и вызвать цепочку событий, которая и наблюдалась как Arp 299-B AT1. Часть материи звезды при этом поглотилась черной дырой, часть была выброшена в космос, а часть была выброшена в виде пары сравнительно узких, разреженных, но очень быстрых (десятки процентов от скорости света) струй — джетов. Кстати, для наблюдений нам доступен только один из них (рис. 5), так как второй скрыт за плотным пылевым диском.

Рис. 5. Изображение пары сливающихся галактик Arp 299 в оптическом диапазоне

Авторы обсуждаемой статьи проделали довольно большую работу по моделированию транзиента в рамках теории о приливном разрушении с учетом всей известной информации о той области, в которой это событие произошло. И им удалось воспроизвести это событие в рамках довольно сложной модели. Это, пожалуй, главное достижение всей многолетней работы, ибо таких подробных и долгих наблюдений столь яркого во всех смыслах приливного взаимодействия раньше не было и проверять весь корпус моделей (от звездообразования в сливающихся галактиках до поглощения пылью рядом с СМЧД) в единой связке было не на чем. Во всяком случае, эта проверка стала одной из лучших.

Источник: S. Mattila et al. A dust-enshrouded tidal disruption event with a resolved radio jet in a galaxy merger // Science. 2018. DOI: 10.1126/science.aao4669.

Автор признателен Павлу Аболмасову (Обсерватория Туорлы и ГАИШ МГУ) и Омеру Бромбергу (Университет Тель-Авива) за обсуждение и комментарии.

Антон Бирюков