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.
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.
