В исследовании, проведенном астрофизиками Университета Юты, найдено новое объяснение скорости роста сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Они поглощают звезды, являющиеся частями двойных систем. Отметим, что это лишь одно из объяснений. Это не единственный механизм, и, возможно, даже не самый важный. Точка в этом вопросе еще не поставлена.

Используя новые расчеты и старые наблюдения Млечного пути и других галактик, «мы обнаружили, что черные дыры разрастаются до огромных размеров, поглощая звезды из двойных систем, захваченных их гравитацией», – говорит астрофизик Бен Бромли, первый автор публикации в Письмах в астрофизический журнал.

«Я считаю, что это основной метод роста сверхмассивных черных дыр, – добавляет Бромли. – Вообще, есть два пути для образования такой дыры: поглощение звезд и поглощение газа. Иногда необходимый газ есть, а иногда его нет. Мы знаем это из наблюдений разных галактик. Но звезды есть всегда. Наш механизм – эффективный способ доставить звезду к черной дыре. Очень тяжело сделать так, чтобы одиночная звезда направилась к черной дыре, но намного проще в случае двойной. (Двойная звезда –) это намного более крупный объект, чем сами звезды, его взаимодействие с черной дырой происходит эффективнее. Кроме того, двойной звезде нужно подойти к черной дыре на большее расстояние, чем одиночной, для поглощения звезды дырой».

Для доказательства этой теории, однако, потребуются новые, более мощные телескопы. Необходимо будет провести наблюдение большого числа звезд, захваченных черной дырой; деформировавшихся из-за гравитации черной дыры звезд; быстрых звезд, путешествующих по Вселенной со скоростями в несколько миллионов километров в час.

Что же предпочитает черная дыра?

Небольшие черные дыры образуются при смерти одиночных звезд. Но центры галактик, включая Млечный путь, содержат черные дыры, которые принято называть сверхмассивными. Их массы находятся в пределах от одного миллиона до 10 миллиардов масс Солнца. Процесс роста таких черных дыр является предметом дебатов уже долгое время. Часть астрономов придерживается мнения, что основным питанием черных дыр в этом деле является газ, часть – что звезды. Недавно была опубликована работа, поддерживающая теорию питания газом. Для этого около черной дыры должно быть два аккреционных диска, наклоненных друг к другу. Столкновение материала этих двух дисков приводит к потере им кинетической энергии и ускоренному падению на черную дыру. Космос-журнал писал об этой работе. Бромли считает, что она позволяет преодолеть основную проблему в жизни черной дыры – скорость роста за счет газа, которая иначе была бы неэффективной. «Но достаточно ли часто встречаются наклоненные диски газа, чтобы быть важной частью в росте черных дыр в целом? – задается он вопросом. – Честно говоря, газ вносит свой вклад в рост черных дыр, но какой – пока непонятно».

Альтернативная теория о двойных звездах – парах звезд, обращающихся вокруг общего центра масс – возникла из работ Бромли по изучению сверхскоростных звезд, путешествующих по нашей галактике и покидающих ее со скоростями в миллионы километров в час. Заметим, что скорость звезд в обычной ситуации составляет до полумиллиона километров в час.

Разлучая звезды

«Сверхскоростные звезды, которые мы находим, когда-то были частью двойной системы, обращавшейся слишком близко к черной дыре, – говорит Бромли. – Дыра поглощает одного из партнеров, а вторая – сверхскоростная – улетает от нее. Мы сопоставили различные данные – число сверхскоростных звезд и другие – и обнаружили, что количество встреч двойных систем с черной дырой в центре Млечного пути может объяснить подавляющую часть ее массы. Наши расчеты показывают, что и в других галактиках поглощение двойных звезд может объяснить массы черных дыр». Вообще, около половины звезд находится в двойных системах, так что их достаточно для подкормки черных дыр. А Бромли, чтобы перестраховаться, предполагал в своем анализе, что их всего 10 процентов.

Для начала он провел моделирование всего процесса поглощения одной из звезд системы черной дырой. Это позволило ему оценить частоту образования сверхскоростных звезд, захвата двойных систем, звезд на эллиптических орбитах около черных дыр, и, наконец, поглощенных звезд. Эти результаты были затем сопоставлены с наблюдательными данными сверхмассивных черных дыр, скоплений звезд около них и явлений деформации звезд приливными силами, вызванными гравитационным полем дыры. «Эти данные совпадают, – говорит Бромли. – Когда мы изучили процесс скопления звезд в центре нашей галактики, стало понятно, что большая часть массы черной дыры исходит из двойных систем, разорванных гравитацией». Более того, скорость поглощения звезд черными дырами и скорость снабжения ее аккреционного диска новыми совпали.

В целом, теория точно предсказывает частоту появления сверхскоростных звезд в нашей галактике, а значит, и частоту захвата звезд черными дырами (почти точно, ведь одиночные звезды тоже попадают в ловушку); то же число было получено для явлений деформации звезд приливными силами; наконец, теория показывает, как черная дыра в центре Млечного пути удвоила или даже учетверила свою массу в течение последних 5-10 миллиардов лет. Изучив число звезд около центра Млечного пути, их скорости и шанс встречи с нашей черной дырой, вышло, что примерно одна двойная система разрывается гравитацией дыры в 1000 лет. Это значит, что за 10 миллиардов лет дыра поглотила 10 миллионов звезд, что легко объясняет ее массу в 4 миллиона солнечных. «Мы обнаружили, что этот процесс позволяет объяснить широкий диапазон масс черных дыр», – говорит Бромли. Для полного подтверждения теории осталось дождаться появления более мощных телескопов, способных точнее указать количество сверхскоростных звезд в галактике и звезд в ее центре, около черной дыры, и собрать те же данные для других галактик.