Наелись и икают: черные дыры еще долго шумят в радиодиапазоне после поглощения звезд

Событие, о котором идет речь, называется приливным разрушением звезды — по-английски tidal disruption event, сокращенно TDE. Это происходит, когда звезда случайно подходит слишком близко к сверхмассивной черной дыре — объекту с массой миллионов или миллиардов солнц, который сидит в центре почти каждой галактики. Гравитация черной дыры на разных сторонах звезды резко отличается, и эта разница буквально разрывает звезду на части. Обломки начинают закручиваться вокруг черной дыры и частично в нее падать, а часть вещества выбрасывается наружу.

Именно этот выброс и создает отложенное радиоизлучение. Поток вещества, вырвавшийся из окрестностей черной дыры — будь то джет (узкий луч частиц) или более широкий ветер, — врезается в межзвездный газ вокруг галактики. На этом столкновении возникает ударная волна, которая разгоняет частицы до огромных скоростей, и те начинают светиться в радиодиапазоне — примерно так же, как заряженные частицы светятся в авроре, но на несравнимо большем масштабе.

До этого исследования астрономы в основном наблюдали TDE в первые месяцы после вспышки. Александер и коллеги в своей предыдущей программе наблюдений на Very Large Array — сети из 27 радиоантенн в Нью-Мексико — сосредоточились именно на первом годе, и тогда обнаружили, что многие события вообще не дают радиосигнала в этот период. Это было неожиданно. Когда наблюдения продолжили на годы вперед, выяснилось, что радиовспышка просто приходит позже — иногда через несколько лет после оптической вспышки.

Новая работа собрала наблюдения в радио-, рентгеновском, ультрафиолетовом и оптическом диапазонах для 31 TDE и связала момент появления радиосигнала с тем, в каком режиме в это время работало аккрецирующее вещество — то есть насколько быстро черная дыра в тот момент поглощала материал. Аккреция — это процесс падения вещества на компактный объект; она происходит не мгновенно, а через диск, который постепенно спирально закручивается к горизонту событий. Темп этого падения определяет многие свойства системы.

Анализ выявил две отдельные ситуации, при которых возникает запоздалое радиоизлучение. В первом случае черная дыра в момент радиовспышки все еще активно поглощает вещество — режим, который называется сверхэддингтоновской аккрецией. Предел Эддингтона — это теоретический максимум яркости, выше которого давление излучения уже само по себе отталкивает вещество; когда аккреция его превышает, система ведет себя особым образом и с большей вероятностью выбрасывает часть вещества наружу.

Во втором случае аккреция, наоборот, уже замедлилась до минимума — система перешла в радиационно-неэффективное состояние, когда вещество падает медленно и почти не светится в оптике, зато генерирует радио. Оба режима давно известны по другим типам черных дыр — например, по рентгеновским двойным системам, где черная дыра поглощает вещество звезды-компаньона. Теперь подтвердилось, что TDE подчиняются той же физике.

Отдельный результат касается ранних спектров: TDE, которые впоследствии дали запоздалое радиоизлучение, статистически реже содержали линии гелия в ранних оптических спектрах, причем эта связь оказалась статистически значимой (p = 0.002).

Спектральные линии — это характерные отпечатки конкретных химических элементов в свете; отсутствие гелиевых линий говорит о том, что разорванная звезда, скорее всего, была водородной, или что аккреция в таких системах начинается с задержкой по каким-то причинам, пока до конца неясным.

Это наблюдение может стать практическим ориентиром: галактики без гелиевых линий в ранних спектрах — лучшие кандидаты для долгосрочного радиомониторинга в будущих программах наблюдений.

Самые яркие в радиодиапазоне объекты из этой выборки попали даже в данные Very Large Array Sky Survey — автоматического обзора всего неба, который VLA проводит без специального наведения. Это означает, что подобные запоздалые вспышки можно находить без целевых наблюдений, просто просматривая архивы. По более ранним оценкам, около 40% всех оптически обнаруженных TDE дают радиосигнал спустя сотни или тысячи дней — и это, по всей видимости, более распространенное явление, чем радиоизлучение в первые месяцы после вспышки.

В более широком контексте это исследование показывает, что сверхмассивные черные дыры влияют на свои галактики значительно дольше, чем предполагалось. Выброшенное вещество перемешивает и нагревает межзвездный газ — стройматериал для будущих звезд. Таким образом, каждая TDE — это растянутый во времени процесс, который продолжает менять окружение галактики спустя годы после гибели звезды.

Фото NSF/AUI/NRAO/B.Foott