В галактике Андромеды исчезла звезда. Что с ней случилось?

В расположенной на расстоянии около 2,5 миллиона световых лет от Земли галактике Андромеды содержится не менее триллиона звезд. Недавно астрономы обнаружили, что одна из них – массивное светило М31, исчезло без следа. Это странно, так как обычно массивные звезды погибают в результате вспышки сверхновой – яркого события, во время которого наблюдается увеличение яркости небесного тела на 10–20 величин. Таким образом, результаты нового исследования могут изменить наше понимание того, как крупные светила заканчивают свою жизнь и как образуются одни из самых таинственных объектов на просторах Вселенной – черные дыры.

Исчезновение массивной звезды ознаменовало рождение черной дыры в галактике Андромеды. Изображение: phys.org

На ночном небе галактику Андромеды можно увидеть невооруженным глазом, как слабое светлое пятнышко. Количество звезд в этой спиральной галактике намного превышает число звезд в Млечном Пути. Более того, галактика Андромеды движется навстречу нашей Галактике со скоростью около 110 километров в секунду. Исследователи полагают, что примерно через 4 миллиарда лет они столкнутся, образовав единую гигантскую эллиптическую галактику. Ранее ученые пришли к выводу, что столкновение уже началось.

Как умирают звезды?

На просторах Вселенной ничто не вечно – умирают даже звезды. Так, массивные светила, примерно в восемь раз тяжелее Солнца, формируются из звездных туманностей, которые превращаются в протозвезды, а затем становятся сверхгигантами. Жизненный цикл этих небесных тел основывается на балансе между внутренней гравитацией и внешним давлением от ядерного синтеза. Когда, в конце жизни звезды, ядерное топливо заканчивается, нарушая баланс, светило коллапсирует взрывом сверхновой.

У возглавляющей Местную Группу галактик галактики Андромеды есть несколько карликовых спутников, включая М32 и М110. Изображение: britannica.com

Эти космические события настолько яркие, что могут затмить своим светом всю галактику на несколько месяцев. Вспышки, оставляющие после себя нейтронные звезды или черные дыры, называют сверхновыми с коллапсом ядра или сверхновыми типа II, а происходят они относительно редко: в Млечном Пути, например, одна такая вспышка случается раз в сто лет.

Напомним, нейтронные звезды – это самые плотные объекты во Вселенной, масса которых превышает солнечную в несколько раз. Черные дыры, в свою очередь, представляют собой объекты, сила гравитации которых настолько велика, что ничто, даже свет (не говоря уже о звуке) не может вырваться наружу.

Сверхновая без взрыва

Традиционный процесс гибели звезд, судя по всему, придется пересмотреть. Авторы нового исследования, представленного на сервере препринтов ArXiv, наблюдали за массивным светилом под названием M31-2014-DS1, расположенным в галактике Андромеды и обнаружили, что звезда исчезла без бесследно, а на ее месте сформировалась черная дыра.

В 2014 году массивная звезда М31 начала ярко светиться в среднем инфракрасном диапазоне. Данные наблюдений тогда показали, что ее светимость оставалась стабильной на протяжении тысячи дней, однако в последующие тысячу дней (с 2016 по 2019 год) звезда резко потускнела и исчезла из видимых и ближних инфракрасных наблюдений в 2023 году.

Взрыв сверхновой второго типа. Изображение: ESO

Данные наблюдений также показали, что М31 окружена недавно выброшенной пылевой оболочкой, в соответствии со взрывом сверхновой, однако оптических свидетельств вспышки обнаружено не было. Так как подобное поведение не соответствует известным типам переменных звезд, команда астрономов под руководством Кишалая Де из Массачусетского технологического института (MIT) решила разобраться в происходящем.

Выходит, эта необогощенная водородом звезда, вероятно, достигла конца своей жизни и сразу коллапсировала в черную дыру, минуя стадию сверзновой. В частности, ее первоначальная масса составляла около 20 масс нашего Солнца, а к моменту коллапса – уже 6,7 солнечных масс.

В нормальных условиях массивные звезды коллапсируют в результате нейтронизации, когда электроны соединяются с протонами, образуя нейтроны и испуская нейтрино. Огромный выброс нейтрино создает ударную волну, взрывая звезду. Но когда ударная волна не может преодолеть гравитацию звезды, светило продолжает коллапсировать, превращаясь в черную дыру без взрыва.

По-видимому, иногда массивные звезды не взрываются как сверхновые, а сразу превращаются в черные дыры. Изображение:

В частности, на изображении выше проиллюстрировано, как нейтринная ударная волна может затухать, приводя к образованию черной дыры без взрыва сверхновой. Буквой «А» отмечена начальная ударная волна, голубые линии которой обозначают испускаемые нейтрино, а красный круг – ударную волну, распространяющуюся наружу. Буквой «B» отмечено замедление нейтринного удара, а белые стрелки обозначают падающую материю: когда внешние слои проваливаются внутрь, и нейтринный нагрев недостаточно силен, чтобы оживить удар.

Буквой «C» красным пунктиром отмечено рассеивание ударной волны, а четкие белые стрелки свидетельствуют об ускорении коллапса, когда внешние слои быстро разрушаются, а ядро становится все более компактным. Буквой «D» отмечено формирование черной дыры, где синий круг обозначает горизонт событий, а оставшийся материал образует ее аккреционный диск.

Резкое и продолжительное угасание M31-2014-DS1 является исключительным явлением в ландшафте изменчивости массивных, эволюционировавших звезд. В отсутствие каких-либо свидетельств взрыва сверхновой, наблюдения за «исчезнувшим» светилом указывают на признаки гибели звезды, который приводит к коллапсу ядра без вспышки, – заключили авторы научной работы.

Открытие имеет серьезные последствия для астрофизики, ведь если значительная часть массивных звезд заканчивает свою жизнь таким образом, привычное понимание химической эволюции галактик также придется пересмотреть. Сверхновые играют ключевую роль в распространении тяжелых элементов, необходимых для формирования планет и жизни, а отсутствие взрыва означает, что эти элементы остаются внутри черной дыры.

Сколько массивных звезд погибают без взрыва?

Отметим, что M31-2014-DS1 – не единственный известный случай. В 2009 году астрономы обнаружили звезду N6946-BH1 в галактике NGC 6946, которая также исчезла без взрыва. Такие данные заставляют ученых пересмотреть статистику: возможно, от 20% до 30% массивных звезд заканчивают свою жизнь без взрыва сверхновой.

Понимание процесса звездной гибели влияет на модели образования галактик, распространение тяжелых элементов во Вселенной и даже на частоту возникновения черных дыр. Таким образом, результаты нового исследования помогут уточнить имеющиеся модели и привести к пересмотру некоторых фундаментальных концепций.

Новое исследование показывает, что мы, возможно, понимаем природу сверхновых не так хорошо, как думали. Изображение: combopop.com.br

Команда планирует продолжить наблюдения за М31, чтобы подтвердить полученные выводы. В будущем, по мере развития технологий, таких как более чувствительные телескопы и детекторы гравитационных волн, астрономы смогут обнаружить больше подобных событий и собрать статистически значимые данные. Это поможет ученым лучше понять процессы, ведущие к «неудавшимся» сверхновым.

Таким образом, исчезновение звезды M31 в галактике Андромеды без взрыва сверхновой бросает вызов традиционным представлениям о смерти массивных звезд и также означает, что в нашей Вселенной, возможно, существует много подобных тихих коллапсов, о которых мы ранее ничего не знали.

Источник