Працівниками Державтоінспекції зафіксовано приливної руйнування зірки чорною дірою і подальше утворення джета • Антон Бірюков • Новини науки на "Елементи" • Астрофізика, Позагалактична астрономія

Працівниками Державтоінспекції зафіксовано приливної руйнування зірки чорною дірою і подальше утворення джета

Мал. 1. Зливаються галактики Arp 299 в оптичному діапазоні (фото зроблено космічним телескопом "Хаббл"). справа – ядро ​​А, зліва – ядро ​​В. Зображення з сайту en.wikipedia.org

За майже 12 років спостережень за зливаються галактиками, які перебувають в 146 мільйонах світлових років від нас, міжнародна команда астрофізиків змогла в деталях вивчити процес руйнування звичайної зірки приливними силами надмасивної чорної діри. При цьому вдалося вперше безпосередньо спостерігати формування релятивістського джета. Загальна кількість виділилася енергії було гігантським: за час спостережень система втратила у вигляді електромагнітного випромінювання більше, ніж Сонце за всю його життя.

Arp 299 – це пара неправильних галактик на відстані в 146 млн світлових років (45 мегапарсек) від нас, які на протязі ось вже близько 750 мільйонів років переживають процес злиття або, якщо завгодно, зіткнення. Дві галактики цієї системи прийнято позначати Arp 299-A і Arp 299-B (рис. 1), причому в другій виділяють два ядра: B1 і B2 (див. Рис. 5).

Злиття двох галактик не тільки приносить в кожну з них додаткові обсяги вільного міжзоряного газу, але і призводить до виникнення в цьому газі ударних хвиль.А вони, в свою чергу, стимулюють утворення нових зірок. Таким чином, сумарний темп зореутворення в зливаються галактиках істотно зростає, і для системи Arp 299 він оцінюється в 100-150 нових зірок на рік (в 100 разів більше, ніж в Чумацькому Шляху). Зірки в таких системах найчастіше утворюються в їх центральних (а значить – більш щільних) областях.

Ядра Arp 299, мабуть, містять надмасивні чорні діри (СМЧД) – як і належить центральним областям галактик. В області B1 така чорна діра вже точно є, так як там вже давно було виявлено наявність так званого активного галактичного ядра (АЯГ або AGN – Active Galactic Nucleus) – компактної області, в якій міжзоряний речовина, утворюючи щільний аккреційний диск, рясно падає на сверхмассивную чорну діру, викликаючи спалахи випромінювання, викиди, освіту джетів і інші яскраві події. І ще ми знаємо, що активне ядро ​​в області B1 приховано від нас за досить товстим шаром пилу, яка прозора тільки в жорсткому рентгенівському діапазоні і поглинає все інше випромінювання.

Мал. 2. Художнє зображення приливної руйнування зірки надмасивної чорною дірою. Зображення з сайту nasa.gov

Саме в цій області 30 січня 2005 року в спостереженнях на чотириметровому телескопі імені Вільяма Гершеля (William Herschel Telescope), розташованому на Канарських островах, був виявлений транзієнтної (тобто раптово і ненадовго спалахнув, см. Transient astronomical event) джерело інфрачервоного випромінювання. Протягом п'яти з гаком років його яскравість поступово наростала, а потім почала спадати (рис. 3). Через 10 років після події джерело був ще видно. За такий довгий час спостерігачі змогли його уважно вивчити в різних діапазонах – від радіо- до рентгенівського, використовуючи десяток телескопів, включаючи дані космічних обсерваторій "Хаббл" і "Спітцер".

Мал. 3. Розвиток інфрачервоної світності транзиента Arp 299-B AT1 за 11 років спостережень. По горизонтальній осі відкладено час в добі від моменту виявлення об'єкта. По лівій вертикальній осі – світність в одиницях 1043 ерг / сек (для порівняння, світність Сонця становить 4,8 × 1033 ерг / сек); графік світності показаний синім кольором. По правій вертикальній осі – повна излученная енергія; графік її наростання показаний червоним. Малюнок з обговорюваної статті в Science

Те, що ми змогли спостерігати цей транзиент в такому широкому діапазоні довжин хвиль,вже говорить про те, що його джерело знаходиться не в самому центрі активного галактичного ядра (прихованого від нас товстим пиловим диском), а кілька віддалений від нього. Але яка природа цього джерела? У чому фізична причина спалаху?

Якщо надмасивна чорна діра в Arp 299-B1 тут ні при чому, то спалах, швидше за все, є вибухом наднової. Якщо ж всі ці події пов'язані з СМЧД, то виникають дві можливості: або спалах – це прояв активності галактичного ядра (наприклад, потік частинок, викинутий чорною дірою у вигляді джета, підсвітив матерію над площиною пилового диска), або це результат приливної руйнування звичайної зірки, пролетіла дуже близько від СМЧД (див. Tidal disruption event).

Для останнього сценарію не важливо, активно ядро ​​чи ні, – досить просто надмасивної чорної діри. Цікавий цей варіант не тільки тим, що дозволяє "прощупати" сильне гравітаційне поле чорної діри, а й тим, що з'являється можливість вивчити процес акреції речовини на релятивістський об'єкт "з самого початку", оскільки значна частина речовини зірки благополучно падає в СМЧД. Такі події досить рідкісні: їх зареєстровано не більше сотні, а вказівка ​​на освіту джета вдавалося виявити лише в одиничних випадках.

Спостерігаючи за Arp 200-B AT1 (таке позначення отримав обговорюваний транзиент) в радіодіапазоні, дослідники з часом виключили гіпотези про те, що це спалах наднової або прояв АЯГ: спостережуваний джерело показував розширення з дуже великою швидкістю, випромінюючи занадто багато енергії (приблизно 1052 ерг, для чого Сонця треба було б 80 мільярдів років) і з ним виявилася пов'язана структура, дуже схожа на джет (і яка спостерігається в радіодіапазоні).

Джети – вузькі релятивістські викиди речовини, що взаємодіє з чорною дірою і оточуючим її магнітним полем, – утворюються в ході акреції речовини на цей компактний об'єкт. Активні галактичні ядра утворюють джети, які спрямовані перпендикулярно площині аккреционного диска. У разі активного ядра в Arp 299-B1 ми бачимо цей диск (точніше – навколишній пиловий тор) майже з ребра. Значить, джет, пов'язаний з АЯГ, повинен бути спрямований перпендикулярно цьому тору.

Але в реальних спостережень з'ясувалося, що викид від Arp 299-B AT1 відхилений від цієї прямої на кут 25-35 градусів, – значить, він викликаний іншим механізмом. І тоді наші теоретичні знання залишають нам тільки один варіант: це було приливної руйнування зірки.Хоча треба зазначити, що напрямок джета при акреції на СМЧД визначається в основному самою чорною дірою, а саме – "віссю її обертання" (лапки через те, що коректніше говорити про направлення кутового моменту чорної діри – величини, яку необхідно залучати для повного і коректного опису орбіт пробних тіл поблизу її горизонту подій). Такий напрям в даній системі, очевидно, єдине, так як система містить тільки одну чорну діру. А відхилення джета, пов'язаного з приливним руйнуванням, ймовірно, було викликано його взаємодією з навколишнім міжзоряним середовищем (рис. 4) і / або великою питомою кутовим моментом зруйнованої зірки.

Мал. 4. Схема приливної руйнування зірки в центрі Arp 299-B і випромінювання від нього. Позначення: BH – надмасивна чорна діра; POLAR DUST – пилова речовина над полюсами СМЧД; TORUS – пиловий тор, що загороджує АЯГ від спостерігача на Землі; JET – відхилений джет; SHOCK – ударна хвиля, яка випромінює в радіодіапазоні і рух якої в просторі ми можемо спостерігати (див. Рис. 5); RADIO – радіовипромінювання; IR – інфрачервоне випромінювання; VLBI – радіоінтерферометр з наддовгих базою; SPITZER – космічна інфрачервона обсерваторія "Спітцер". Малюнок з обговорюваної статті в Science

Через велику щільність зірок в Arp 299 B1 ймовірність близького прольоту звичайної зірки близько горизонту подій СМЧД з подальшим руйнуванням досить велика. Взагалі, руйнування меншого (менш масивного) тіла приливним взаємодією більшого – типова для космосу ситуація. Кільця Сатурна, наприклад, виникли саме таким чином. (Хоча, якщо говорити більш строго, поруч з Сатурном, швидше за все, нічого не руйнувалося – там просто нічого великого не змогло утворитися.) Найпростіший спосіб зрозуміти приливну взаємодію – згадати, що сила тяжіння (класична) зменшується обернено пропорційно квадрату відстані від гравитирующего тіла. Тому сила, що діє на найближчу до масивного тіла сторону його супутника, буде більше, ніж сила, що діє на його далеку частину. Ця різниця в силах, будучи досить великий, здатна розірвати супутник.

Для кожної пари з масивного тіла і "падаючого" на нього супутника є мінімальна відстань, на якому сила самогравітаціі на поверхні супутника (утримує його речовина як єдине ціле) все ще більше сили тяжіння з боку масивного тіла.Ця відстань називається межею Роша. Якщо супутник не просто падає на тіло, а рухається навколо нього по криволінійній траєкторії (а то і обертається сам), то сумарна сила тяжіння для супутника може ще додатково компенсуватися відцентровою силою.

радіус Роша

радіус Роша або межа Роша – відстань, ближче якого невеликий супутник, що обертається навколо центрального масивного тіла і зберігається в цілісності тільки завдяки силам самогравітаціі, буде розірваний приливними силами останнього. Формула для цієї величини в рамках простих, але розумних припущень була вперше отримана французьким астрономом і математиком XIX століття Едуаром Рошем. Він же перший припустив, що кільця Сатурна не є цілісними, а складаються з крихітних супутників (каменів і крижин) – як раз тому, що знаходяться всередині радіусу Роша для Сатурна. (Правда, кільце Е знаходиться за цією межею.)

Ось як він виводиться. Нехай навколо центрально-симетричного тіла – наприклад, планети – маси M і радіусу R звертається по круговій орбіті супутник маси mM і радіусу rR. Припустимо, що обертання супутника синхронізовано з його рухом по орбіті – як у Місяця, яка завжди звернена до Землі однією і тією ж стороною.Нехай відстань між центрами мас супутника і планети одно D і воно більше радіуса планети.

Розглянемо невеликий шматочок речовини на поверхні супутника (позначимо його масу Δm). На нього діє сила тяжіння з боку супутника:

\ [F _ {\ rm g} = \ dfrac {Gm \ Delta m} {r ^ 2}, \]

де G – гравітаційна постійна. Ця сила, формально, повідомляє йому прискорення в протилежну від планети сторону.

З іншого боку, на це ж тіло діє і тяжіння планети:

\ [F _ {\ Delta m} = \ dfrac {GM \ Delta m} {(D- r) ^ 2}. \]

Але не можна сказати, що прискорення даного шматочка в напрямку планети одно просто FΔmm, Так як цей шматочок ще й "підштовхується" всім супутником цілком, на який теж діє сила тяжіння планети:

\ [F_ % = \ dfrac {GM \ Delta m} {D ^ 2}. \]

Таким чином, оскільки супутник – єдине ціле, прискорення даного шматочка в напрямку планети – приливної прискорення – визначається різницею сил Fm і FΔm, що дорівнює

\ [F _ {\ rm T} = F _ {\ Delta m} – F_ % = \ dfrac {GM \ Delta m} {(D- r) ^ 2} – \ dfrac {GM \ Delta m} {D ^ 2} \ approx \ dfrac {2GM \ Delta mr} {D ^ 3}, \]

так як ми припустили, що rR і R < D.

Оскільки радіус Роша визначається тим, що приливні сили перевершують гравітаційні, його можна знайти з нерівності FT < Fg, Яке переписується в наступному вигляді:

\ [D _ {\ rm Roche} <r \ left (\ dfrac {M} % \ right) ^ {\ dfrac % %}. \]

У Arp 299 B1 зірка з масою від 2 до 6 мас Сонця цілком могла виявитися занадто близько до СМЧД і викликати ланцюжок подій, яка і спостерігалася як Arp 299-B AT1. Частина матерії зірки при цьому поглотилась чорною дірою, частина була викинута в космос, а частина була викинута у вигляді пари порівняно вузьких, розріджених, але дуже швидких (десятки відсотків від швидкості світла) струменів – джетів. До речі, для спостережень нам доступний тільки один з них (рис. 5), так як другий прихований за щільним пиловим диском.

Мал. 5. Зображення пари галактик, що зливаються Arp 299 в оптичному діапазоні (дані телескопа «Хаббл»). Транзиент Arp 299-B AT1 спалахнув в західній компоненті цієї пари. B і З – інфрачервоні зображення (на довжині хвилі 2,2 мікрона) центральної частини компоненти B, видно два яскравих ядра – B1 і B2. зображення B було отримано за 8 років до транзиента (в 1997 році) і на ньому видно, що яскравість ядра B1 істотно нижче, ніж в 2007 році (фото З) – через два роки після початку спалаху. D – контури радіозображень самої центральної частини Arp 299 B1, отримані протягом 10 років (показані послідовно червоним, жовтим, синім і зеленим) Після спалаху. По осях відкладено зміщення положення радиоисточника на небі – по прямому сходженню (горизонтальна вісь) І відміні (вертикальна вісь), В мілісекундах дуги.Така картина змінного радиоисточника відповідає розвитку швидкого, вузького джета. Точніше – це і є зображення джета, тільки в радіодіапазоні. Малюнок з обговорюваної статті в Science

Автори обговорюваної статті подолали досить велику роботу по моделюванню транзиента в рамках теорії про приливному руйнуванні з урахуванням всієї відомої інформації про ту галузь, в якій ця подія відбулася. І їм вдалося відтворити цю подію в рамках досить складної моделі. Це, мабуть, головне досягнення всієї багаторічної роботи, бо таких докладних і довгих спостережень такого яскравого у всіх сенсах приливної взаємодії раніше не було і перевіряти весь корпус моделей (від зореутворення в зливаються галактиках до поглинання пилом поруч з СМЧД) в єдиній зв'язці було на ніж. У всякому разі, ця перевірка стала однією з кращих.

джерело: 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 вдячний Павлу Аболмасову (Обсерваторія Туорла і ГАІШ МГУ) і Омеру Бромбергу (Університет Тель-Авіва) за обговорення і коментарі.

Антон Бірюков


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: