Ученые впервые увидели, как остаток взорвавшейся звезды засасывает материю. Это может быть черная дыра или нейтронная звезда

Астрономы пронаблюдали процесс падения вещества на черную дыру или нейтронную звезду с выделением большого количества энергии, что подтверждает образование компактного объекта (нейтронной звезды или черной дыры) в двойной системе, один из компонентов которой стал сверхновой. На протяжении десятилетий астрономы надеялись найти прямые наблюдательные доказательства этого звездного процесса. И теперь они, похоже, найдены.

В мае 2022 года южноафриканский астроном-любитель Берто Монар обнаружил сверхновую SN 2022jli, вспыхнувшую в галактике NGC 157 на расстоянии около 75 миллионов световых лет от Земли.

После этого за ней начали наблюдение две команды астрономов с помощью двух телескопов — «Очень большого телескопа» (Very Large Telescope VLT) и «Телескопа новой технологии Европейской Южной Обсерватории (New Technology Telescope NTT). Вскоре они обнаружили ункальное поведение сверхновой: по мере того, как яркость сверхновой начала, как и ожидалось, снижаться, она внезапно начала демонстрировать периодическое 12-дневное усиление и затухание.

Как рождаются черные дыры и нейтронные звезды

Сверхновая — это результат взрыва звезды в конце ее жизненного цикла. После взрыва в результате гравитационного коллапса ядра остается сверхплотное ядро, или компактный остаток звезды. В зависимости от того, насколько массивной была звезда, компактный остаток будет либо нейтронной звездой — объектом настолько плотным, что чайная ложка его материала весила бы на Земле около триллиона килограммов, либо черной дырой. И нейтронная звезда, и черная дыра имеют очень сильное гравитационное поле. Гравитационное притяжение черной дыры настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света.

В прошлом астрономы находили множество подсказок, намекающих на эту цепочку событий, например, обнаружили нейтронную звезду в Крабовидной туманности — газовом облаке, оставшемся после взрыва звезды около тысячи лет назад. Но они никогда раньше не видели, как этот процесс происходит в реальном времени, а значит, прямых доказательств того, что сверхновая оставляет после себя компактный остаток, до сих пор не было.

«В нашей работе мы устанавливаем такую прямую связь», — говорит Пинг Чен, научный сотрудник Института науки Вейцмана (Израиль) и ведущий автор исследования, опубликованного 10 января в журнале Nature и представленного на 243-м заседании Американского астрономического общества в Новом Орлеане (США).

Что обнаружили ученые

После взрыва яркость большинства сверхновых просто исчезает со временем; астрономы наблюдают плавное, постепенное снижение «кривой свечения» звезды. Но поведение SN 2022jli очень своеобразно: общая яркость уменьшается не плавно, а колеблется вверх-вниз в среднем каждые 12,4 дня.

Такое поведение может быть объсняться наличием более чем одной звезды в системе SN 2022jli. Массивные звезды часто вращаются с звездой-компаньоном на орбитах вокруг общего центра тяжести, такие системы из двух звезд называются бинарными или двойными. Однако в этой системе примечательно то, что звезда-компаньон, похоже, пережила смерть своего партнера, и два объекта — компактный остаток от взрыва и компаньон — скорее всего, продолжали вращаться друг вокруг друга.

Две команды астрономов независимо друг от друга обнаружили регулярные колебания видимой яркости системы, однако одна из команд также зафиксировали периодические движения газообразного водорода и всплески гамма-излучения в системе.

Соединив все данные вместе, обе команды пришли к общему выводу: когда «нормальная» звезда-компаньон взаимодействовала с материалом, выброшенным при взрыве сверхновой, ее богатая водородом атмосфера стала еще более насыщенной газом. Затем, компактный объект, оставшийся после взрыва, проносился по своей орбите через атмосферу звезды-спутника и «всасывал» водород, образуя вокруг себя горячий диск падающей на него материи. Это периодическое поглощение материи, или аккреция, высвобождает много энергии, которая в наблюдениях проявляется в виде регулярных изменений яркости. Фактически компактный объект регулярно забирает вещество у своего спутника, когда сближается с ним, а само вещество во время движения разогревается за счет трения и светится сильнее

Ученые пришли к выводу, что такое энергичное поглощение может быть вызвано только невидимой нейтронной звездой или, возможно, черной дырой, притягивающей материю из «напитавшейся» атмосферы звезды-компаньона. Одним из двух вариантов и является этот компактный объект, считают ученые.

Наличие черной дыры или нейтронной звезды подтверждено, однако у ученых все еще много вопросов к этой системе. Например, пока не ясна точная природа компактного объекта. Неизвестно и какой конец может ожидать эту бинарную систему. В этом помогут телескопы нового поколения, такие как «Чрезвычайно большой телескоп» ESO, который планируется ввести в эксплуатацию в 2027 году, что позволит астрономам раскрыть беспрецедентные детали этой уникальной системы. Зеркало позволит собирать в 15 раз больше света, чем любой из существующих на сегодня телескопов. Телескоп будет оснащён уникальной адаптивной оптической системой из 5 зеркал, которая способна компенсировать турбулентность земной атмосферы и даст возможность получать изображения с большей степенью детализации, чем орбитальный телескоп «Хаббл». Он находится в Чили, откуда, в том числе, и велись наблюдения за сверхновой SN 2022jli.