Ученые смоделировали, как образуются черные дыры и нейтронные звезды после коллапса умирающих звезд, и объяснили, почему некоторые из них получают сильный "удар" в межзвездное пространство.
Астрономы выяснили, как некоторые умирающие звезды выбрасывают зародыши черных дыр из матки — и это некрасиво.
Новое исследование показало, что эти редкие черные дыры получают значительный толчок, когда их родительские звезды погибают в результате катастрофического взрыва, выбрасывающего новорожденных гравитационных прожорников на невероятные скорости.
Полученные результаты могут пролить свет на загадочные первые моменты жизни черной дыры.
Черные дыры и нейтронные звезды рождаются в сердцевинах массивных умирающих звезд. Когда звезды, масса которых по крайней мере в восемь раз превышает массу Солнца, приближаются к концу своей жизни, в их ядрах происходит плавление железа. Сильное давление превращает это железное ядро в протонейтронную звезду, скопление нейтронов размером с город. Это скопление может временно остановить гравитационный коллапс остальной части звезды. В свою очередь, это прекращение работы обычно вызывает взрыв сверхновой. Но иногда в эпицентре этих взрывов может повышаться давление, превращая протонейтронную звезду в черную дыру.
Что происходит дальше, можно только догадываться. Предыдущие компьютерные модели сверхновых моделировали этот процесс менее секунды - ровно столько, чтобы запечатлеть сам взрыв. А наблюдения за реальными черными дырами и нейтронными звездами наводят на мысль о всевозможных причудливых физических явлениях. Некоторые нейтронные звезды движутся со скоростью более 3,4 миллиона миль в час (5,4 миллиона км / ч), указывая на то, что их сильно выбросило во время процесса взрыва, в то время как другие движутся в 30 раз медленнее, предполагая более спокойный процесс рождения.
Черные дыры, с другой стороны, почти всегда имеют низкие скорости "толчка", даже несмотря на то, что обстоятельства их создания гораздо более жестокие.
Команда астрономов выяснила сложный период зарождения черных дыр и нейтронных звезд, проведя 20 компьютерных симуляций сверхновых. Моделирование длилось достаточно долго, чтобы показать, как каждый объект был "отброшен" родительской звездой. Их работа была опубликована в базе данных препринтов arXiv 20 ноября и отправлена в Astrophysical Journal для рецензирования.
Астрономы обнаружили тесную взаимосвязь между свойствами родительской звезды до взрыва (известной как "прародитель") и образовавшейся в результате нейтронной звезды или черной дыры. Когда родительская звезда не очень массивна и не очень компактна — это означает, что ее внешние слои увеличены относительно ядра, — сверхновая возникает очень внезапно и почти в идеальной сфере, что приводит к образованию медленно движущейся нейтронной звезды.
С другой стороны, очень массивным и компактным предшественникам требуется больше времени, чтобы превратиться в сверхновые, и когда происходят взрывы, они не очень симметричны. В результате из хаоса возникает быстро движущаяся, выброшенная нейтронная звезда. Исследователи также обнаружили, что более крупные нейтронные звезды, как правило, сильнее подвергаются ударам, а это означает, что большая часть массы компактного предшественника в ядре оказывается в нейтронной звезде.
Прародители также заставляют нейтронные звезды вращаться, и исследователи обнаружили, что, как правило, чем сильнее толчок, тем больше вращение. Таким образом, если звезда-прародительница взорвалась асимметрично, то неправильный взрыв не только выталкивает нейтронную звезду, но и раскручивает ее. Это может объяснить происхождение магнетаров, которые представляют собой быстро вращающиеся сверхмагнитные нейтронные звезды.
Два механизма образования объясняют, как происходит выброс черных дыр. В одном случае прародитель не взрывается полностью, но давление на ядро возрастает до такой степени, что образуется черная дыра. Эти черные дыры довольно велики — в среднем примерно 10 масс Солнца — и их почти не пинают. Большинство черных дыр попадают в эту категорию.
Но черные дыры могут образовываться и по второму пути. В некоторых случаях звезда-прародительница полностью взрывается и уносит с собой большую массу, оставляя после себя черную дыру меньшего размера, примерно в три массы Солнца. Интересно, что исследование показало, что эти черные дыры развивают невероятную скорость удара, превышающую 2,2 миллиона миль в час (3,6 миллиона км / ч). Однако такие быстро движущиеся черные дыры встречаются довольно редко.
Исследование устанавливает важную связь между тем, что мы можем наблюдать (нейтронные звезды и черные дыры, движущиеся по Вселенной), и тем, чего мы не можем (а именно, деталями самого процесса взрыва прародителя). Изучая свойства нейтронных звезд и черных дыр, астрономы смогут работать над составлением полной картины жизненного цикла звезды.
