Звезда, которая исчезла: астрономы впервые засняли рождение черной дыры без взрыва
Теория предсказывает, что звезды могут коллапсировать прямо в черные дыры, минуя стадию взрыва сверхновой. Более того, это должно происходить относительно часто. Но, несмотря на это, астрономы почти не имели наблюдательных подтверждений. Возможно, это произошло в нашей соседней галактике Андромеда — и астрономы едва не пропустили это событие.
В 2014 году инфракрасный телескоп NEOWISE зафиксировал, как одна из звезд в Андромеде стала ярче. Эти наблюдения годами лежали в архивах данных и были обнаружены лишь недавно. Команда астрономов, изучая переменные источники в данных NEOWISE, наткнулась на объект M31-2014-DS1 — звезду-сверхгиганта в Андромеде, которая, по всей видимости, коллапсировала прямо в черную дыру.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science. Ведущий автор — Кишалай Де, профессор астрономии Колумбийского университета.
Исследователи изучали последовательные снимки галактики Андромеда в поисках переменных источников. Снимки делались каждые полгода с 2009 по 2022 год. В период с 2014 года объект увеличил свою яркость в среднем инфракрасном диапазоне на 50%. После двух лет роста яркости он потускнел ниже исходного уровня всего за один год. Затухание продолжалось вплоть до 2022 года.
«Это, вероятно, самое удивительное открытие в моей жизни, — признался Де. — Доказательства исчезновения звезды лежали в открытых архивных данных, и никто не замечал их годами, пока мы не обратили на них внимание».
Область хорошо наблюдалась и другими телескопами. Используя эти данные, ученые восстановили кривые блеска объекта в оптическом диапазоне. С 2016 по 2019 год его оптическая яркость упала примерно в 100 раз. К 2023 году объект стал невидим для наземных оптических телескопов. Телескоп «Хаббл» сфотографировал эту область в 2022 году и не нашел ничего в оптике — только слабый источник в ближнем инфракрасном диапазоне. Последующие наблюдения на телескопе Кека в 2023 году подтвердили наличие слабого инфракрасного источника.
«Такое драматическое и устойчивое угасание звезды крайне необычно и говорит о том, что сверхновая не вспыхнула, а ядро звезды коллапсировало прямо в черную дыру», — пояснил Де.
По словам авторов, ключевую роль в том, взорвется звезда сверхновой или схлопнется в черную дыру, играют нейтрино. Когда массивная звезда достигает конца жизни, ее ядро коллапсирует, высвобождая нейтрино, которые порождают ударную волну. Если волна достаточно сильна, она сбрасывает внешние слои звезды — происходит взрыв сверхновой. «Если же ударная волна не в состоянии сбросить оболочку, она, согласно предсказаниям, падает обратно на коллапсирующее ядро, образуя черную дыру звездной массы, и звезда просто исчезает», — пишут исследователи.
Изначальная масса звезды составляла около 13 солнечных. К моменту гибели от нее осталось лишь около 5 солнечных масс — большую часть она потеряла в мощных звездных ветрах.
«Считалось, что звезды такой массы всегда взрываются сверхновыми, — отметил Де. — То, что этого не произошло, говорит о том, что звезды одинаковой массы могут как взрываться, так и нет — вероятно, из-за хаотичного взаимодействия гравитации, давления газа и ударных волн внутри умирающей звезды».
Астрономам известен еще один кандидат в черные дыры прямого коллапса — N6946-BH1 в галактике NGC 6946, обнаруженный в 2010 году. Но он находится примерно в 10 раз дальше, и данные по нему менее качественные. Новое открытие вновь привлекло внимание к тому объекту. «Мы знали, что черные дыры должны возникать из звезд. Теперь, с двумя такими событиями, мы можем наблюдать этот процесс и узнавать много нового о том, как он работает», — сказал соавтор статьи Морган МакЛауд из Гарварда.
Поиск M31-2014-DS1 потребовал огромных усилий. Это крупнейшее на сегодняшний день исследование переменных инфракрасных источников. Астрономы прочесали звездное население Млечного Пути и соседних галактик и нашли лишь один такой объект. В отличие от сверхновых, которые легко заметить по многомесячной вспышке яркости, черные дыры прямого коллапса ведут себя с точностью до наоборот. «Обнаружить отдельные звезды, которые исчезают без взрыва, невероятно трудно», — подчеркнул Де.
Вопрос в том, сколько еще таких объектов скрывается в массивах астрономических данных? Насколько распространено это явление? «Шокирует осознание того, что массивная звезда просто исчезла (и погибла) без взрыва, и никто не замечал этого более пяти лет, — говорит Де. — Это меняет наше понимание статистики гибели массивных звезд во Вселенной. Похоже, такие события могут тихо происходить прямо у нас под носом и оставаться незамеченными».
Как и во многих вопросах астрономии, для понимания природы черных дыр прямого коллапса нужна большая выборка и лучшие наблюдения. Обсерватория Веры Рубин с ее десятилетним обзором Legacy Survey of Space and Time имеет все шансы обнаружить множество подобных объектов.
