• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
16.02.2017
ФизТех
233

Российские астрофизики оценили разрушительность галактических союзов

Сколько звёзд разрушается при слиянии двух галактик, в центрах которых находятся сверхмассивные чёрные дыры.

Российские астрофизики оценили разрушительность галактических союзов
Российские астрофизики оценили разрушительность галактических союзов

Учёные из МФТИ, Оксфордского университета и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН оценили, сколько звёзд разрушается при слиянии двух галактик, в центрах которых находятся сверхмассивные чёрные дыры. Астрофизики проверили, могут ли гравитационные эффекты двух сближающихся чёрных дыр объяснить, почему наблюдаемое значение темпа захвата звёзд меньше, чем полученное из простейшей теоретической модели.

В статье, опубликованной в The Astrophysical Journal, исследователи оценили взаимное влияние динамических механизмов на темп захвата звёзд. Продвинутая теоретическая модель дала ещё большее расхождение с наблюдениями, и авторы выдвинули гипотезу о том, что разрушение звёзд в центрах галактик может происходить незаметно для нас.Захват звёзд

События приливного разрушения звёзд, или TDE (англ. tidal disruption event), — единственный доступный на сегодняшний день способ получить какую-то информацию из неактивных центров галактик. В центре большинства галактик находится как минимум одна сверхмассивная чёрная дыра, которую окружает плотное центральное звёздное скопление — ядро галактики. Чёрная дыра на то и чёрная, что она не излучает. Зато излучает вещество, которое во время падения на сверхмассивный объект нагревается до очень высоких температур и которое можно «увидеть» с помощью телескопов.

Разрушение звезды приливными силами. Вещество звезды падает на чёрную дыру и излучает рентгеновские лучи. Ниже представлены данные с трёх телескопов (по оси Y — яркость рентгеновских лучей, по оси X — длина волны). Источник: NASA/CXC/U. Michigan/J. Miller et al.; Illustration: NASA/CXC/M. Weiss

В активных галактиках есть газовые скопления, которые питают чёрную дыру и тем самым позволяют её заметить. Однако большая часть галактик (около 90%) «молчит», потому что в них нет газовых скоплений. Единственный источник вещества для чёрной дыры — это звёзды, которые периодически оказываются слишком близко к ней. Когда такая «неосторожная» звезда разрушается приливными силами, астрономы фиксируют событие приливного разрушения (TDE). На данный момент зафиксировано всего около пятидесяти вспышек от TDE, а в среднем на одну галактику одна звезда разрушается раз в 10–100 тыс. лет. На основании этих данных учёные пытаются построить достоверную модель того, что происходит в неактивных центрах галактик.


Смоделированное разрушение звезды

Сферическая галактика в вакууме

Самая простая теоретическая модель — галактика со сферическим ядром, в центре которого находится сверхмассивная чёрная дыра. Вокруг неё вращаются звёзды, которые диффундируют в пространстве скоростей, иными словами, меняют направление своего движения при прохождении вблизи друг от друга, подобно тому, как меняют свою траекторию бильярдные шары при столкновении.

Но если бильярдный шар, чтобы попасть в лузу, должен двигаться прямо по направлению к ней, то у звезды более широкий диапазон направлений: её вектор скорости должен находиться в пределах так называемого конуса потерь, тогда она будет захвачена и разрушена гравитацией чёрной дыры. В соответствии с этой простейшей моделью захват звёзд должен происходить примерно раз в 1–10 тыс. лет, то есть несколько чаще, чем он наблюдается. Эта модель дополняется с учётом разных факторов, например неодинаковости масс звёзд, но все они только увеличивают темп захвата.

path.png

Звезда, скорость которой оказалась в «конусе потерь». ЧД — чёрная дыра; rзахв — радиус захвата

Эффект рогатки

На данный момент в научной литературе обсуждался лишь один механизм, который может уменьшить темп захвата звёзд — если большинство звёзд с малым моментом импульса исчезнет. Это можно представить на примере диффузии газа. Пусть хаотично движущиеся молекулы газа поглощаются на стенке сосуда. Тогда если убрать ближайшие к стенке ряды молекул, количество поглощаемых молекул за единицу времени уменьшится, так как дальним молекулам ещё нужно добраться до стенки. Так же и с чёрной дырой: если убрать звёзды из центра, темп захвата уменьшится. Звёзды, конечно, нельзя просто так взять и убрать, но если в центре галактики находится двойная чёрная дыра, то налетающая на неё звезда может быть выкинута за пределы галактики, совершив так называемый гравитационный манёвр.

Другое название этого явления — эффект рогатки.По закону сохранения энергии, когда звезда получает ускорение, то есть добавку к своей кинетической энергии, энергия двойной чёрной дыры должна уменьшиться. В результате чёрные дыры становятся ближе друг к другу, таким образом начиная сливаться. И, как подтверждено недавним сенсационным открытием, на последних этапах слияния чёрных дыр часть энергии излучается в виде гравитационных волн.


Слияние чёрных дыр. Inspiral — начальная стадия, во время которой чёрные дыры вращаются вокруг общего центра масс и постепенно приближаются друг к другу. Merger — непосредственно само слияние, во время которого испускаются гравитационные волны (ниже показана их регистрация). Ringdown — финальная стадия, одиночная чёрная дыра. Источник: LIGO, NSF, Aurore Simonnet (Sonoma State U.)

Несферическая галактика в вакууме

Хотя при слиянии галактик темп захвата может уменьшаться, одновременно с этим наблюдается и противоположный эффект. Ядро любой галактики, которая возникла в результате слияния, немного отличается от сферы. В несферическом ядре звёзды сильнее перемешиваются, поэтому больше звёздных орбит пролегает возле чёрной дыры. Из-за слияния темп захвата будет увеличиваться, хотя эффект рогатки должен его уменьшать. Чтобы понять, как эти противоположные эффекты повлияют на темп захвата, выпускники МФТИ Кирилл Лежнин и Евгений Васильев провели расчёты, а также посмотрели, как меняется темп захвата при разных массах центральной чёрной дыры, при разных геометриях центральных скоплений, при разных начальных условиях.

Больше разрушений!

Оказалось, что удаление звёзд из центра гравитационным манёвром имеет значение только для «сферической галактики в вакууме», однако при слиянии галактик будет иметь место хотя бы малая несферичность. В итоге разрушению должна подвергнуться в среднем одна звезда за 10 тыс. лет. С одной стороны, это согласуется с предыдущими результатами теоретических расчётов, а с другой — поднимает вопрос о том, почему наблюдаемый темп событий приливного разрушения ниже, чем предсказывают теоретические модели.


Разрушение звезды приливными силами вблизи чёрной дыры. Источник: NASA/CXC/M.Weiss; X-ray: NASA/CXC/MPE/S.Komossa et al.; Optical: ESO/MPE/S.Komossa

Кирилл Лежнин, автор статьи, сотрудник лаборатории астрофизики и физики нелинейных процессов МФТИ, комментирует: «Как мы показали, наблюдаемый низкий темп захвата нельзя объяснить с помощью эффекта рогатки. Значит, нужно искать механизм, выходящий за пределы изучения звёздной динамики. Возможно, событий приливного разрушения происходит столько, сколько мы посчитали. Тогда надо думать, почему мы их можем не видеть».

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 12:58
Алиса Гаджиева

В Северной Ирландии нашли неолитическое поселение возрастом не менее 5800 лет. Пока не ясно, почему люди обосновались именно там, но известно, что спустя тысячелетия за эти земли воевали могущественные королевства.

Сегодня, 10:49
Даниил Сухинов

Хотя интуитивно люди склонны думать, что занятия музыкой полезны для их психического здоровья, научные исследования указывают на более сложную и неочевидную связь. В новой работе международная группа ученых обнаружила генетическую корреляцию между увлечением музыкой и психическим здоровьем на примере нескольких тысяч близнецов. Результаты исследования показывают, что у музыкально активных людей существенно повышен генетический риск развития депрессии и биполярного расстройства.

Вчера, 07:30
Мария Азарова

Авторы нового исследования провели эксперимент почти с 70 собаками разных пород, чтобы узнать, как они реагируют на вой одного волка и целой стаи.

2 февраля
НИУ ВШЭ

Изучая потребление алкоголя, экономисты и социологи обычно связывают его с условиями жизни людей и их человеческим капиталом: образованием, опытом работы, знаниями. Ученые из Лаборатории исследований рынка труда и Лаборатории экономико-социологических исследований НИУ ВШЭ обратили внимание на некогнитивные навыки, формирующиеся в детстве и подростковом возрасте, и выяснили, что эти качества во многом определяют вероятность злоупотребления спиртным и сокращают степень влияния образования.

Вчера, 07:30
Мария Азарова

Авторы нового исследования провели эксперимент почти с 70 собаками разных пород, чтобы узнать, как они реагируют на вой одного волка и целой стаи.

Вчера, 12:58
Алиса Гаджиева

В Северной Ирландии нашли неолитическое поселение возрастом не менее 5800 лет. Пока не ясно, почему люди обосновались именно там, но известно, что спустя тысячелетия за эти земли воевали могущественные королевства.

10 января
Алиса Гаджиева

Исследователи, изучающие систему обороны Великой стены, обнаружили следы более 130 секретных сквозных проходов и полагают, что это только начало.

25 января
Василий Парфенов

Пока фанаты SpaceX увлеченно следят за достижениями компании, астрономы грустно наблюдают, как их работа становится сложнее с каждым запуском спутников Starlink. Прогресс не проходит без жертв. Поэтому различные научные ассоциации ищут способы снизить негативное влияние множества новых рукотворных объектов в околоземном пространстве на качество данных, получаемых телескопами. Некоторые решения со стороны выглядят экстремальными — например, теперь лазеры для корректировки адаптивной оптики можно не выключать, если в поле зрения есть спутник Starlink. А это десятки ватт излучения!

9 января
Александр Березин

Избыточный вес убивает куда больше людей, чем войны с голодом вместе. До самых недавних пор это объясняли то «мусорным» фастудным питанием, то недостаточными физическими нагрузками. Научные работы показывают: эти гипотезы были неверны. За последние полвека сильно потолстели даже лабораторные животные, корм и нагрузки которых не менялись. Эпидемия лишнего веса действительно убийственна, но ее причина не в калориях или нехватке нагрузки. А в чем же? Naked Science исследует для вас этот вопрос.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: