Български астрофизици оцениха разрушителността на галактическите съюзи
Учени от Московския институт по физика и технологии, Оксфордския университет и Физическия институт. П. Н. Лебедев от Руската академия на науките изчисли колко звезди се унищожават при сливането на две галактики, в центровете на които има свръхмасивни черни дупки.
Улавяне на звезди
Фигура: Унищожаване на звезда от приливни сили. Материята от звездата попада в черната дупка и излъчва рентгенови лъчи. По-долу има данни от три телескопа (по оста Y - яркостта на рентгеновите лъчи, по оста X - дължината на вълната).
Събитията с приливни смущения или TDE (англ. tidalion disruption event) са единственият наличен в момента начин за получаване на информация от неактивните центрове на галактиките. В центъра на повечето галактики има поне една свръхмасивна черна дупка, която е заобиколена от плътен централен звезден куп - ядрото на галактиката. Черната дупка е черна, защото не излъчва. От друга страна, той излъчва материя, която при падането си върху свръхмасивно тяло се нагрява до много високи температури и която може да се „види“ с телескопи. В активните галактики има газови купове, които захранват черната дупка и по този начин правят възможно нейното забелязване. Повечето от галактиките (около 90%) обаче са „безшумни“, защото нямат газови купове. Единственият източник на материя за черна дупка са звездите, които периодично се приближават твърде много до нея. Когато такава "небрежна" звезда бъде унищожена от приливни сили, астрономите записват събитие на приливно прекъсване (TDE). В момента са регистрирани само около петдесет изригвания от TDE и средно една звезда се унищожава на галактика веднъж на всеки 10-100 хиляди години. Въз основа на тези данни учените се опитват да изградят надежден модел на случващото се в неактивните центрове на галактиките.
Сферична галактика във вакуум
Повечетопрост теоретичен модел е галактика със сферично ядро, в центъра на което е супермасивна черна дупка. Около него се въртят звезди, които се разпръскват в скоростното пространство, с други думи, променят посоката на движението си, когато преминават близо една до друга, точно както билярдните топки променят траекторията си, когато се сблъскат. Но ако билярдна топка трябва да се придвижи директно към нея, за да удари джоба, тогава звездата има по-широк диапазон от посоки: нейният вектор на скоростта трябва да е в рамките на така наречения конус на загубите, тогава тя ще бъде уловена и унищожена от гравитацията на черната дупка. В съответствие с този най-прост модел, улавянето на звезди трябва да се случва приблизително веднъж на всеки 1–10 хиляди години, т.е. малко по-често, отколкото се наблюдава. Този модел се допълва, като се вземат предвид различни фактори, например дисперсията в масите на звездите, но всички те само увеличават скоростта на улавяне.
Фигура: Звезда, чиято скорост е в "конуса на загубата". BH е черна дупка; rcap е радиусът на улавяне.
Ефект на прашка
Досега в научната литература се обсъжда само един механизъм, който може да намали скоростта на улавяне на звезди - ако повечето от звездите с малък ъглов момент изчезнат. Това може да бъде представено чрез примера на дифузия на газ. Нека произволно движещи се газови молекули се абсорбират от стената на съда. След това, ако премахнем редиците от молекули, които са най-близо до стената, броят на абсорбираните молекули за единица време ще намалее, тъй като отдалечените молекули все още трябва да стигнат до стената. Същото е и с черна дупка: ако премахнете звездите от центъра, скоростта на улавяне ще намалее. Звездите, разбира се, не могат да бъдат взети и премахнати просто така, но ако има двойна черна дупка в центъра на галактиката, тогава звездата, която пада върху нея, може да бъде изхвърлена извън галактиката, като направи тованаречена гравитационна маневра. Друго име за това явление е ефектът на прашката.
Според закона за запазване на енергията, когато една звезда получи ускорение, тоест добавка към нейната кинетична енергия, енергията на двоичната черна дупка трябва да намалее. В резултат на това черните дупки се приближават една до друга, като по този начин започват да се сливат. И както се потвърждава от скорошно сензационно откритие, в последните етапи на сливането на черните дупки част от енергията се излъчва под формата на гравитационни вълни.
Фигура: Сливане на черни дупки. Inspiral - началният етап, по време на който черните дупки се въртят около общ център на масата и постепенно се приближават една към друга. Сливането е самото сливане, при което се излъчват гравитационни вълни (регистрацията им е показана по-долу). Ringdown е последният етап, една черна дупка.
Несферична галактика във вакуум
Въпреки че степента на улавяне може да намалее по време на сливането на галактики, в същото време се наблюдава и обратният ефект. Ядрото на всяка обединена галактика е малко по-различно от сфера. В несферично ядро звездите се смесват по-силно, така че повече звездни орбити лежат близо до черна дупка. Поради сливането скоростта на улавяне ще се увеличи, въпреки че ефектът от прашката трябва да я намали. За да разберат как тези противоположни ефекти влияят на скоростта на улавяне, възпитаниците на MIPT Кирил Лежнин и Евгений Василиев направиха изчисления и разгледаха как скоростта на улавяне се променя за различни маси на централната черна дупка, за различни геометрии на централни клъстери и за различни начални условия.
Сблъсък на две галактики на примера на нашия Млечен път и Андромеда (компютърна симулация):
Още разрушения!
Снимка: Унищожаването на звезда от приливни сили близо до черна дупка.
Оказа се, че отстраняването на звездите от центъра чрез гравитационна маневра е важно само за "сферична галактика във вакуум", но когато галактиките се сливат, ще има поне малка несферичност. В резултат на това средно една звезда на 10 хиляди години трябва да бъде унищожена. От една страна, това е в съответствие с предишни резултати от теоретични изчисления, а от друга страна, повдига въпроса защо наблюдаваната скорост на приливни смущения е по-ниска от прогнозираната от теоретичните модели.