Энрико Рамирез-Руис, сотрудник Калифорнийского университета в Санта-Круз, занимается компьютерным моделированием взрывов звезд и других катастрофических событий в нашей Вселенной. В 2012 году появились первые наблюдения разрушения звезды, падающей на черную дыру. Проведя сравнение полученных наблюдательных данных и своего моделирования, Руис поставил под сомнение выводы коллектива, открывшего умирающую звезду и заключившего, что это редкое светило, в котором в качестве основного топлива используется гелий, а не водород.

«Я был уверен, что мы имеем дело с обычной водородной звездой, но плохо понимаем, что происходит», – говорит Рамирез-Руис. В статье, подготовленной Руисом вместе со своими аспирантами и принятой к публикации в Астрофизическом журнале, он рассматривает происходящее при уничтожении обычной звезды черной дырой, а также показывает, почему мы можем принять происходящее за смерть очень редкой звезды, не замечая в ней водорода. Для этого использовалось численное моделирование нескольких сценариев встречи звезды с черной дырой.

Чтобы уничтожить звезду, разорвав ее на части мощнейшим гравитационным полем, и только потом поглотить оставшиеся от нее обрывки материи, необходима сверхмассивная черная дыра. Такие встречаются практически в единичном количестве на каждую галактику (кроме случая недавно столкнувших галактик, в которых две дыры движутся по все снижающимся орбитам, чтобы в результате слиться) и находятся в их центрах. Некоторые сверхмассивные черные дыры создают так называемое активное галактическое ядро. Если аккреционный диск дыры богат газом, падающим на нее, центр галактики очень ярок, и в этом излучении трудно различить смерть отдельной звезды. Однако большая часть галактик неподалеку от Млечного пути имеют тихие черные дыры, уже поглотившие большую часть доступного газа, и ожидающие удачи – возмущающего галактику прохода мимо ее собрата или неудачливой звезды, оказавшейся слишком близко к дыре. Если к такой тихой дыре подходит звезда, ее разрыв гравитационным полем дыры и последующее поглощение легко выделяются на фоне свечения звезд галактики. Это событие случается в среднем раз в 10000 лет в типичных спиральных галактиках, похожих на Млечный путь.

Выходит, чтобы в течение года наверняка увидеть такое событие, нужно обыскать десять тысяч галактик. Непростое дело для большей части телескопов, кроме некоторых, построенных специально для регулярного обзора больших участков небесной сферы. К ним относится аппарат Pan-STARRS, который среди своих задач имеет регистрацию разрушений звезд черными дырами. Первый успех в этом деле ожидал телескоп в 2010 году, когда было открыто событие PS1-10jh. Опубликованы эти результаты были в 2012 году. Для события были получены спектральные кривые, зависящие от времени, в том числе в момент максимальной яркости, что позволяет судить о химическом составе уничтоженной звезды.

Спектральные кривые активных галактических ядер обычно имеют ярко выраженные пики, соответствующие линиям испускания распространенных элементов, например водорода и гелия. Уникальностью PS1-10jh (хоть и недолго, но это было активное галактическое ядро) является практически полное отсутствие в спектральных данных линий испускания водорода. Объяснить такие наблюдения проще всего с помощью очень редкого светила. Хотя практически все звезды состоят преимущественно из водорода, существуют звезды-гиганты, состоящие из гелия и использующие его в качестве топлива для термоядерного синтеза. Такие звезды имеют водородную атмосферу, но при приближении к черной дыре она быстро теряется. А затем наступает черед ядра звезды, из которого черная дыра начинает вырывать гелий, замеченный в спектральных данных.

Разработанная под руководством Руиса математическая модель позволяет воссоздать разрушение звезды черной дырой. При этом в моделировании получается также и спектральное распределение излучения, рождаемого таким событием. Сопоставляя затем спектральные данные с начальными – параметрами черной дыры и звезды – можно определить, в какому спектральному классу принадлежит звезда и какова масса черной дыры. В случае PS1-10jh оказалось, что сверхмассивная черная дыра с трудом выдерживает экзамен на попадание в такую категорию тяжеловесов, а звезда относится к главной последовательности и похожа на Солнце.

Источником спектральных данных, получаемых при разрушении звезды, является часть ее материи, уже потерянная для светила. Приближаясь к черной дыре, звезда вытягивается под действием приливных сил в мощном гравитационном поле. В какой-то момент гравитационное притяжение внутри самой звезды уже не может противостоять разрывающей ее гравитации дыры. Светило разрушается, при этом черная дыра теряет около половины массы, составлявшей ее внешние слои. Эта часть материи из-за полученной кинетической энергии убегает от дыры. Другая половина попадает на высокоэллиптическую орбиту, со временем создавая аккреционный диск дыры. Отличие обсуждаемой модели в том, что она относит видимое нами излучение на долю этого диска, тогда как обычно считается, что мы видим излучение материи сразу после разрушения звезды. Эта материя имеет малую площадь поверхности, находясь практически на одной орбите, на которой была звезда. Модель Руиса показывает, что из-за малой площади излучение этой материи слабо, и мы его не видим, пока она не соберется в более широкий аккреционный диск, в котором материя постепенно падает на дыру, а не собирается на одной орбите.

Эта ситуация схожа с рождением активного галактического ядра. В нем излучение характерных химических элементов исходит из разных областей аккреционного диска. Гелий обычно находится ближе к дыре, тогда как водород излучает намного дальше от нее. В случае PS1-10jh наблюдается та же ситуация. Спектральные кривые были сняты слишком рано. Аккреционный диск, созданный материей звезды, не успел расшириться, чтобы водород удалился на расстояние, характерное для его излучения. Водород должен быть в диске PS1-10jh, но он слишком сильно ионизован, его температура слишком высока, чтобы в спектральных данных появилась характерная линия испускания. Также предлагается объяснить излучение явления PS1-11af. В этом случае в материи разрушенной дыры нет ни водорода, ни гелия. Просто черная дыра, разрушившая звезду, имеет небольшую массу, и не успела сформировать типичный аккреционный диск из внезапно полученной материи.