Учёные смоделировали процесс образования черных дыр и нейтронных звезд после коллапса умирающих звезд и объяснили, почему некоторые из них получают сильный импульс, который выталкивает их в межзвёздное пространство.

Чёрные дыры получают существенный импульс, когда их родительские звёзды умирают в катастрофическом взрыве. Новое исследование показало, что эти новорожденные чёрные дыры, выброшенные родительскими звёздами движутся со значительными скоростями. Новые данные могут прояснить первые моменты жизни чёрной дыры. 

Иллюстрация формирования первичной чёрной дыры. Источник: NASA / JPL-Caltech

Чёрные дыры и нейтронные звёзды возникают в ядрах массивных умирающих звёзд. Подходящие к концу своего жизненного цикла звезды, масса которых не менее восьми масс Солнца, претерпевают коллапс, объединяя атомы железа в своих ядрах. Это создаёт протонейтронную звезду, — скопление нейтронов размером примерно с город. Это скопление временно прекращает гравитационный коллапс остальной звезды, что обычно приводит ко вспышке сверхновой. Однако иногда давление в сердцах этих взрывов увеличивается, и протонейтронная звезда превращается в чёрную дыру.

Предыдущие компьютерные модели сверхновых моделировали только краткий момент этого процесса, достаточный для захвата самого взрыва. в то время, как наблюдения реальных чёрных дыр и нейтронных звёзд указывают на интересные для изучения физические явления.

Некоторые нейтронные звёзды движутся со скоростью более 5,4 миллиона километров в час, что указывает на то, что они были выброшены во время взрыва, в то время как другие движутся в 30 раз медленнее, что указывает на более спокойный процесс их «рождения».

С другой стороны, чёрные дыры в большинстве случаев имеют низкую скорость выброса, несмотря на то, катастрофичность их образования. Команда астрономов провела 20 компьютерных симуляций сверхновых, чтобы объяснить ранний период существования чёрных дыр и нейтронных звёзд. Симуляции были достаточно долгими, чтобы продемонстрировать, как каждый объект был выброшен родительской звездой.

Астрономы обнаружили тесную связь между свойствами родительской звезды перед взрывом и характеристиками результирующей нейтронной звезды или чёрной дыры. Если родительская звезда имеет низкую массу и не очень компактна, то внешние слои звезды увеличены по сравнению с ядром, и сверхновая вспыхивает внезапно и практически симметрично, создавая медленно движущуюся нейтронную звезду.

Однако очень массивные и компактные предки требуют больше времени для вспышки сверхновой, и их взрывы происходят не симметрично. Это приводит к быстро движущейся выброшенной нейтронной звезде. Исследователи также обнаружили, что большие нейтронные звёзды обычно получают более сильные импульсы, что означает, что большая часть массы компактного предка переходит в нейтронную звезду. Прямое воздействие вспышки родительской звезды также заставляет нейтронные звезды вращаться, и более сильный удар приводит к более быстрому вращению.

Таким образом, асимметричный взрыв родительской звезды не только выбрасывает нейтронную звезду, но и задаёт ей начальное вращение. Этот феномен может объяснить появление магнитаров — быстро вращающихся, нейтронных звёзд, обладающих исключительно сильным магнитным полем.

Существует два механизма образования чёрных дыр. В одном случае предка звезда не взрывается, но давление в её ядре повышается до уровня, при котором образуется чёрная дыра. Такие чёрные дыры обычно большие, примерно в 10 раз превышающие массу Солнца, и практически не передвигаются. Они составляют большинство чёрных дыр.

Однако чёрные дыры могут образовываться и другим путём. В некоторых случаях звезда-предок полностью взрывается и отбрасывает часть своей массы, оставляя более маленькую чёрную дыру, масса которой примерно в 3 раза превышает массу Солнца.

Исследование показало, что эти чёрные дыры получают огромные скорости «выброса», превышающие 3,6 миллиона километров в час. Однако такие быстро движущиеся чёрные дыры довольно редки.

Это исследование устанавливает важную связь между наблюдаемыми объектами — нейтронными звёздами и чёрными дырами, перемещающимися по вселенной, и непознаваемыми деталями процесса взрыва родительской звезды. Изучая характеристики нейтронных звёзд и чёрных дыр, астрономы смогут сформировать полное представление о жизненном цикле звёзд. Это позволит расширить знания о процессах, происходящих во Вселенной, и понять более глубокие механизмы, приводящие к формированию этих экзотических космических объектов.

Подробнее на iXBT