Гравитационные титаны: как черные дыры формируют звезды и искажают видимость галактик?
Когда звезда завершает свой жизненный цикл, ее внешние слои взрываются, а оставшееся ядро сжимается в точку бесконечной плотности. Этот процесс приводит к образованию черной дыры — области пространства, где гравитационное притяжение столь велико, что ничего, даже свет, не может покинуть ее пределы. В этой статье мы рассказываем, как она взаимодействует с приближающимися телами, а также как формирует звезды и обманывает наше восприятие.
Как черная дыра поглощает материю?
Это происходит благодаря ее невероятно сильной гравитации, которая возникает из-за колоссальной плотности и массы. Черная дыра окружена границей, называемой горизонтом событий, за которой гравитационное притяжение становится настолько сильным, что ничто не может вернуться обратно. Для сверхмассивных черных дыр, находящихся в центрах галактик, эта грань простирается на миллионы километров, тогда как для менее массивных объектов ее размеры могут составлять несколько десятков километров.
Когда материя приближается к горизонту событий черной дыры, она захватывается гравитационным полем. Процесс поглощения начинается, когда материя оказывается в пределах этого горизонта. Объекты, попадающие в эту зону, подвержены сильному гравитационному растяжению и разрушению, и их частицы не могут избежать попадания в черную дыру. Притягиваемое вещество формирует аккреционный диск — кольцо горячего газа и пыли, которое вращается вокруг черной дыры и постепенно ею поглощается.
В процессе поглощения звезды или другого объекта, его материя сжимается до невероятных плотностей и температур, что приводит к образованию мощного рентгеновского излучения и других форм энергии, которые можно наблюдать снаружи горизонта событий. Эти явления помогают астрономам изучать черные дыры, несмотря на то, что их самих невозможно увидеть напрямую.
Что происходит, когда звезда приближается к черной дыре?
В таких случаях начинается процесс «приливного разрушения». Он связан с тем, что гравитационные силы черной дыры, воздействующие на звезду, становятся настолько сильными, что разрывают ее на части. При этом небесное тело сталкивается с мощными приливными силами, которые вытягивают и сминают его внешние слои, а внутренние компоненты становятся подвержены сильному воздействию. Это приводит к образованию яркого излучения.
Однако наблюдения событий приливного разрушения часто не совпадают с теоретическими предсказаниями. Например, вместо рентгеновского излучения от аккреционного диска, большая часть свечения находится в видимом диапазоне, который существенно слабее. Также скорость излучающего вещества нередко отличается от ожидаемой, а в некоторых случаях оно даже покидает черную дыру, устремляясь в межзвездное пространство. Эти несоответствия затрудняют интерпретацию наблюдений.
В августе 2024 года американские астрономы опубликовали работу, в которой смоделировали поведение звезды, разорванной черной дырой, и обнаружили, что часть вещества, выброшенного в процессе приливного разрушения, образует своеобразное гало вокруг нее. Оно не только поглощает часть энергии аккреционного диска, но и переизлучает ее в видимом и инфракрасном диапазонах. Ученые сделали вывод, что звезда не разрушается мгновенно, а ее остатки формируют разреженную, но достаточно плотную оболочку, которая поглощает и перераспределяет излучение. В зависимости от угла наблюдения и времени, это может выглядеть как яркая вспышка, которая со временем тускнеет и перемещается в видимый диапазон.
Как черные дыры влияли на формирование звезд в ранней Вселенной?
Когда телескоп «Джеймс Уэбб» исследовал далекие уголки Вселенной, он обнаружил галактики, которые возникли вскоре после Большого взрыва. Это вызвало удивление среди ученых, поскольку они казались гораздо более массивными, чем предсказывала стандартная космологическая модель.
В августе 2024 года американское исследование позволило выяснить, что массивные галактики на большом красном смещении могут содержать черные дыры, которые активно поглощают окружающий газ. Этот процесс создает дополнительное излучение, делая астрономические системы ярче и массивнее, чем они есть на самом деле. Дело в том, что в аккреции, когда газ поступает на черную дыру, возникает трение, которое порождает тепловое и световое излучение. Оно добавляется к свету, исходящему от звезд, делая галактики визуально ярче и массивнее, чем они есть на самом деле.
Этот эффект раньше вводил ученых в заблуждение, создавая впечатление, что в ранних астрономических системах много звезд. Таким образом, черные дыры не только искажали восприятие массы галактик, но и ускоряли процесс звездообразования, так как в условиях более плотной ранней Вселенной, где выдувание газа происходило медленнее, звезды формировались быстрее. Однако эти данные требуют дальнейших исследований, чтобы ученые могли скорректировать существующие модели.
