Зафиксировано приливное разрушение звезды черной дырой и последующее образование джета
За почти 12 лет наблюдений за сливающимися галактиками, находящимися в 146 миллионах световых лет от нас, международная команда астрофизиков смогла в деталях изучить процесс разрушения обычной звезды приливными силами сверхмассивной черной дыры. При этом удалось впервые напрямую наблюдать формирование релятивистского джета. Полное количество выделившейся энергии было гигантским: за время наблюдений система потеряла в виде электромагнитного излучения больше, чем Солнце за всю его жизнь.
Arp 299 — это пара неправильных галактик на расстоянии в 146 млн световых лет (45 мегапарсек) от нас, которые на протяжении вот уже около 750 миллионов лет переживают процесс слияния или, если угодно, столкновения. Две галактики этой системы принято обозначать Arp 299-A и Arp 299-B (рис. 1), причем во второй выделяют два ядра: B1 и B2 (см. рис. 5).
Слияние двух галактик не только приносит в каждую из них дополнительные объемы свободного межзвездного газа, но и приводит к возникновению в этом газе ударных волн. А они, в свою очередь, стимулируют образование новых звезд. Таким образом, суммарный темп звездообразования в сливающихся галактиках существенно возрастает, и для системы Arp 299 он оценивается в 100–150 новых звезд в год (в 100 раз больше, чем в Млечном Пути). Звезды в таких системах чаще всего образуются в их центральных (а значит — более плотных) областях.
Ядра Arp 299, по-видимому, содержат сверхмассивные черные дыры (СМЧД) — как и положено центральным областям галактик. В области B1 такая черная дыра уж точно есть, так как там уже давно было обнаружено наличие так называемого активного галактического ядра (АЯГ или AGN — Active Galactic Nucleus) — компактной области, в которой межзвездное вещество, образуя плотный аккреционный диск, обильно падает на сверхмассивную черную дыру, вызывая вспышки излучения, выбросы, образование джетов и другие яркие события. И еще мы знаем, что активное ядро в области B1 скрыто от нас за довольно толстым слоем пыли, которая прозрачна только в жестком рентгеновском диапазоне и поглощает всё остальное излучение.
Рис. 2. Художественное изображение приливного разрушения звезды сверхмассивной черной дырой. Изображение с сайта nasa.gov
Именно в этой области 30 января 2005 года в наблюдениях на четырехметровом телескопе имени Уильяма Гершеля (William Herschel Telescope), расположенном на Канарских островах, был обнаружен транзиентный (то есть внезапно и ненадолго вспыхнувший, см. Transient astronomical event) источник инфракрасного излучения. В течение пяти с лишним лет его яркость постепенно нарастала, а затем начала спадать (рис. 3). Через 10 лет после события источник был еще виден. За столь долгое время наблюдатели смогли его внимательно изучить в разных диапазонах — от радио- до рентгеновского, используя десяток телескопов, включая данные космических обсерваторий «Хаббл» и «Спитцер».
Рис. 3. Развитие инфракрасной светимости транзиента Arp 299-B AT1 за 11 лет наблюдений. По горизонтальной оси отложено время в сутках от момента обнаружения объекта. По левой вертикальной оси — светимость в единицах 1043 эрг/сек (для сравнения, светимость Солнца составляет 4,8×1033 эрг/сек); график светимости показан синим цветом. По правой вертикальной оси — полная излученная энергия; график ее нарастания показан красным. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science
То, что мы смогли наблюдать этот транзиент в таком широком диапазоне длин волн, уже говорит о том, что его источник находится не в самом центре активного галактического ядра (скрытого от нас толстым пылевым диском), а несколько отдален от него. Но какова природа этого источника? В чем физическая причина вспышки?
Если сверхмассивная черная дыра в Arp 299-B1 тут ни при чем, то вспышка, скорее всего, является взрывом сверхновой. Если же это событие связано с СМЧД, то возникают две возможности: либо вспышка — это проявление активности галактического ядра (например, поток частиц, выброшенный черной дырой в виде джета, подсветил материю над плоскостью пылевого диска), либо это результат приливного разрушения обычной звезды, пролетевшей слишком близко от СМЧД (см. Tidal disruption event).
Для последнего сценария не важно, активно ядро или нет, — достаточно просто сверхмассивной черной дыры. Интересен этот вариант не только тем, что позволяет «прощупать» сильное гравитационное поле черной дыры, но и тем, что появляется возможность изучить процесс аккреции вещества на релятивистский объект «с самого начала», поскольку существенная часть вещества звезды благополучно падает в СМЧД. Такие события довольно редки: их зарегистрировано не более сотни, а указание на образование джета удавалось обнаружить лишь в единичных случаях.
Наблюдая за Arp 200-B AT1 (такое обозначение получил обсуждаемый транзиент) в радиодиапазоне, исследователи со временем исключили гипотезы о том, что это вспышка сверхновой или проявление АЯГ: наблюдаемый источник показывал расширение со слишком большой скоростью, излучил слишком много энергии (примерно 1052 эрг, для чего Солнцу потребовалось бы 80 миллиардов лет) и с ним оказалась связана структура, очень похожая на джет (и наблюдаемая в радиодиапазоне).
Джеты — узкие релятивистские выбросы вещества, взаимодействующего с черной дырой и окружающим ее магнитным полем, — образуются в ходе аккреции вещества на этот компактный объект. Активные галактические ядра образуют джеты, которые направлены перпендикулярно плоскости аккреционного диска. В случае активного ядра в Arp 299-B1 мы видим этот диск (точнее — окружающий его пылевой тор) почти с ребра. Значит, джет, связанный с АЯГ, должен быть направлен перпендикулярно этому тору.
Но в реальных наблюдениях оказалось, что выброс от Arp 299-B AT1 отклонен от этой прямой на угол 25–35 градусов, — значит, он вызван другим механизмом. И тогда наши теоретические знания оставляют нам только один вариант: это было приливное разрушение звезды. Хотя надо отметить, что направление джета при аккреции на СМЧД определяется в основном самой черной дырой, а именно — «осью ее вращения» (кавычки из-за того, что корректнее говорить о направлении углового момента черной дыры — величины, которую необходимо привлекать для полного и корректного описания орбит пробных тел вблизи ее горизонта событий). Такое направление в рассматриваемой системе, очевидно, единственное, так как система содержит только одну черную дыру. А отклонение джета, связанного с приливным разрушением, вероятно, было вызвано его взаимодействием с окружающей межзвездной средой (рис. 4) и/или большим удельным угловым моментом разрушенной звезды.
Рис. 4. Схема приливного разрушения звезды в центре Arp 299-B и излучения от него. Обозначения: BH — сверхмассивная черная дыра; POLAR DUST — пылевое вещество над полюсами СМЧД; TORUS — пылевой тор, загораживающий АЯГ от наблюдателя на Земле; JET — отклоненный джет; SHOCK — ударная волна, излучающая в радиодиапазоне и движение которой в пространстве мы можем наблюдать (см. рис. 5); RADIO — радиоизлучение; IR — инфракрасное излучение; VLBI — радиоинтерферометр со сверхдлинной базой; SPITZER — космическая инфракрасная обсерватория «Спитцер». Рисунок из обсуждаемой статьи в Science
Из-за большой плотности звезд в Arp 299 B1 вероятность близкого пролета обычной звезды около горизонта событий СМЧД с последующим разрушением довольно велика. Вообще, разрушение меньшего (менее массивного) тела приливным взаимодействием большего — типичная для космоса ситуация. Кольца Сатурна, например, возникли как раз таким образом. (Хотя, если говорить более строго, рядом с Сатурном, скорее всего, ничего не разрушалось — там просто ничего крупного не смогло образоваться.) Самый простой способ понять приливное взаимодействие — вспомнить, что сила тяготения (классическая) убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от гравитирующего тела. Поэтому сила, действующая на ближайшую к массивному телу сторону его спутника, будет больше, чем сила, действующая на его дальнюю часть. Эта разница в силах, будучи достаточно большой, способна разорвать спутник.
Для каждой пары из массивного тела и «падающего» на него спутника есть минимальное расстояние, на котором сила самогравитации на поверхности спутника (удерживающая его вещество как единое целое) всё еще больше силы тяготения со стороны массивного тела. Это расстояние называется пределом Роша. Если спутник не просто падает на тело, а движется вокруг него по криволинейной траектории (а то и вращается сам), то суммарная сила тяготения для спутника может еще дополнительно компенсироваться центробежной силой.
Радиус Роша
Радиус Роша или предел Роша — расстояние, ближе которого небольшой спутник, обращающийся вокруг центрального массивного тела и сохраняющийся в целостности только благодаря силам самогравитации, будет разорван приливными силами последнего. Формула для этой величины в рамках простых, но разумных предположений была впервые получена французским астрономом и математиком XIX века Эдуаром Рошем. Он же первый предположил, что кольца Сатурна не являются цельными, а состоят из крошечных спутников (камней и льдин) — как раз потому, что находятся внутри радиуса Роша для Сатурна. (Правда, кольцо Е находится за этим пределом.)
Вот как он выводится. Пусть вокруг центрально-симметричного тела — например, планеты — массы M и радиуса R обращается по круговой орбите спутник массы m ≪ M и радиуса r ≪ R. Предположим, что вращение спутника синхронизировано с его движением по орбите — как у Луны, которая всегда обращена к Земле одной и той же стороной. Пусть расстояние между центрами масс спутника и планеты равно D и оно больше радиуса планеты.
Рассмотрим небольшой кусочек вещества на поверхности спутника (обозначим его массу Δm). На него действует сила тяжести со стороны спутника:
\[ F_{\rm g} = \dfrac{Gm \Delta m}{r^2},\]где G — гравитационная постоянная. Эта сила, формально, сообщает ему ускорение в противоположную от планеты сторону.
С другой стороны, на это же тело действует и притяжение планеты:
\[ F_{\Delta m} = \dfrac{GM \Delta m}{(D- r)^2}. \]Но нельзя сказать, что ускорение рассматриваемого кусочка в направлении планеты равно просто FΔm/Δm, так как этот кусочек еще и «подталкивается» всем спутником целиком, на который тоже действует сила притяжения планеты:
\[ F_{m} = \dfrac{GM\Delta m}{D^2}. \]Таким образом, поскольку спутник — единое целое, ускорение рассматриваемого кусочка в направлении планеты — приливное ускорение — определяется разностью сил Fm и FΔm, равной
\[ F_{\rm T} = F_{\Delta m}- F_{m} = \dfrac{GM \Delta m}{(D- r)^2}- \dfrac{GM\Delta m}{D^2} \approx \dfrac{2GM \Delta m r}{D^3}, \]так как мы предположили, что r ≪ R и R < D.
Поскольку радиус Роша определяется тем, что приливные силы превосходят гравитационные, его можно найти из неравенства FT < Fg, которое переписывается в следущем виде:
\[ D_{\rm Roche} < r \left ( \dfrac{M}{m} \right)^{\dfrac{1}{3}}. \]
В Arp 299 B1 звезда с массой от 2 до 6 масс Солнца вполне могла оказаться слишком близко к СМЧД и вызвать цепочку событий, которая и наблюдалась как Arp 299-B AT1. Часть материи звезды при этом поглотилась черной дырой, часть была выброшена в космос, а часть была выброшена в виде пары сравнительно узких, разреженных, но очень быстрых (десятки процентов от скорости света) струй — джетов. Кстати, для наблюдений нам доступен только один из них (рис. 5), так как второй скрыт за плотным пылевым диском.
Рис. 5. Изображение пары сливающихся галактик Arp 299 в оптическом диапазоне (данные телескопа «Хаббл»). Транзиент Arp 299-B AT1 вспыхнул в западной компоненте этой пары. B и С — инфракрасные изображения (на длине волны 2,2 микрона) центральной части компоненты B, видны два ярких ядра — B1 и B2. Изображение B было получено за 8 лет до транзиента (в 1997 году) и на нем видно, что яркость ядра B1 существенно ниже, чем в 2007 году (фото С) — через два года после начала вспышки. D — контуры радиоизображений самой центральной части Arp 299 B1, полученные в течение 10 лет (показаны последовательно красным, желтым, синим и зеленым) после вспышки. По осям отложено смещение положения радиоисточника на небе — по прямому восхождению (горизонтальная ось) и склонению (вертикальная ось), в миллисекундах дуги. Такая картина переменного радиоисточника соответствует развитию быстрого, узкого джета. Точнее — это и есть изображение джета, только в радиодиапазоне. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science
Авторы обсуждаемой статьи проделали довольно большую работу по моделированию транзиента в рамках теории о приливном разрушении с учетом всей известной информации о той области, в которой это событие произошло. И им удалось воспроизвести это событие в рамках довольно сложной модели. Это, пожалуй, главное достижение всей многолетней работы, ибо таких подробных и долгих наблюдений столь яркого во всех смыслах приливного взаимодействия раньше не было и проверять весь корпус моделей (от звездообразования в сливающихся галактиках до поглощения пылью рядом с СМЧД) в единой связке было не на чем. Во всяком случае, эта проверка стала одной из лучших.
Источник: 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 признателен Павлу Аболмасову (Обсерватория Туорлы и ГАИШ МГУ) и Омеру Бромбергу (Университет Тель-Авива) за обсуждение и комментарии.
Антон Бирюков
Поправьте, пожалуйста, в самом конце: "И им удалось воспроизвести это событие удалось в рамках".
-
Дык, они, вроде как, образовались в результате выброса материи джетами. Это затормозившие джеты. Упадут, посмотрите на них через несколько миллиардов лет.
Забавно, что галактики с черной дырой с джетами напоминает dz2 орбиталь.
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dz2_orbital.png
Галактики и атомы ...-
Спасибо, интересное наблюдение. Вероятно, несмотря на гигантскую разницу в масштабах, в таких галактиках формируется набор векторов сил чем-то сходный с набором сил удерживающих электроны на конкретных орбиталях, что и приводит к похожей геометрии распределения вещества.
По поводу остатков материи джетов - меня смущает слово "пыль". Откуда в джете могла взяться пыль, если он состоит из отдельных заряженных частиц, разогнанных до огромных скоростей. И те из них, которые не смогли улететь совсем и были притянуты обратно, вряд ли смогли бы сформировать какую-то пыль, в лучшем случае, плазму и ионизированный газ.-
Пока он разогнанный - да диссоциация на коне. Когда затормозил и готов упасть обратно - конденсация дает атомы, молекулы и пыль.
По крайней мере вокруг центральной струи релятивистского джета детектировано движение медленного газа. В том числе ионы железа и никеля. Так что металлические опилки гарантированы :)
-
-
-
В оригинальной работе я не заметил, чтобы авторы оценивали наклон, но подозреваю что да, так оно и есть. И, насколько я знаю, для TDE это примерно типичная ситуация, хотя отклонения и случаются. Все-таки t^{5/3} должен работать для болометрической светимости, которую мы не всегда знаем (вот, нашел http://adsabs.harvard.edu/abs/2011MNRAS.410..359L)
А вот эти рассуждения совсем непонятны.
«Джеты — узкие, релятивистские выбросы вещества, взаимодействующего с черной дырой и окружающим ее магнитным полем, — образуются в ходе аккреции вещества на этот компактный объект. Активные галактические ядра образуют джеты, которые направлены перпендикулярно плоскости аккреционного диска.» «Но в реальных наблюдениях оказалось, что выброс от Arp 299-B AT1 отклонен от этой прямой на угол 25–35 градусов и, значит, вызван другим механизмом.»
Во-первых, из каких наблюдений известно, что джет формируется аккреционным диском, ось которого совпадает с осью вращения черной дыры, а не «другим механизмом»? Например, джет пульсара совсем не совпадает с осью вращения пульсара.
Во вторых, обратный джет может и не присутствовать, т.к. магнитное поле вдоль обратного джета, формируемое «другим механизмом», может быть направлено в противоположную сторону полю диска разрушающейся звезды, а со стороны, которая направлена в сторону Земли может усиливать это поле и, соответственно, усиливать джет. Поэтому обратный джет может быть подавлен (асимметрия джетов распространённое явление). Совсем не обязательно, что обратный джет затеняется аккреционным диском, и что классический аккреционный диск у данной дыры вообще присутствует.
Чем не устраивает аккреционный диск разрушающейся звезды, вместо классического аккреционного диска который, предположительно, связан с вращением черной дыры?
Вот эта указанная скорость к какому месту относится вблизи чёрной дыры или на большом удалении? Или разница невелика?
Вообще пылинки на скорость под 100000 км/с - довольно опасная вещь.
Последние новости
Рис. 1. Сливающиеся галактики Arp 299 в оптическом диапазоне (фото сделано космическим телескопом «Хаббл»). Справа — ядро А, слева — ядро В. Изображение с сайта en.wikipedia.org