Звезда превратилась в черную дыру. Такое зафиксировали всего дважды в истории

Массивные звезды, примерно в восемь раз превосходящие по массе Солнце, в конце своей жизни взрываются как сверхновые. Взрывы, которые оставляют после себя черную дыру или нейтронную звезду, настолько энергичны, что могут затмевать свои родительские галактики на месяцы. Однако астрономы заметили массивную звезду, которая пропустила взрыв и сразу превратилась в черную дыру.

Звезды балансируют между внешней силой термоядерного синтеза и внутренней силой собственной гравитации. Когда массивная звезда входит в последнюю стадию эволюции, в ней начинает заканчиваться водород и термоядерный синтез ослабевает.

Внешняя сила термоядерного синтеза больше не может противостоять мощной гравитации звезды, и она уничтожает сама себя. В результате взрыва сверхновой звезды образуется черная дыра или нейтронная звезда. Однако иногда они пропускают стадию взрыва и сразу превращаются в черные дыры.

Новое исследование показывает, как одна массивная сверхгигантская звезда в галактике Андромеды (M31) с дефицитом водорода не взорвалась как сверхновая. Она называется сверхновой с коллапсом ядра, также известная как сверхновая типа II. Такие звезды встречаются относительно редко: в Млечном Пути они возникают примерно раз в 100 лет.

Ученые интересуются сверхновыми, потому что они ответственны за создание многих тяжелых элементов, а их ударные волны могут вызвать звездообразование. Кроме того, они порождают космические лучи, которые могут достигать Земли.

Звезда, о которой идет речь, называется M31-2014-DS1. Астрономы заметили ее яркость в среднем инфракрасном диапазоне (MIR) в 2014 году. В течение 1 тыс. дней ее светимость оставалась постоянной. Затем между 2016 и 2019 годами, она резко потускнела и в 2023 году не была обнаружена в глубоких оптических и ближних ИК-изображениях.

Исследователи утверждают, что звезда родилась с начальным показателем около 20 звездных масс и достигла конечной фазы ядерного горения при около 6,7 звездных масс. Наблюдения показывают, что она окружена недавно выброшенной пылевой оболочкой, что соответствует взрыву сверхновой, но нет никаких свидетельств оптической вспышки.

«Резкое и продолжительное угасание M31-2014-DS1 является исключительным явлением в переменности массивных эволюционировавших звезд, — пишут авторы. — Внезапное снижение светимости указывает на прекращение ядерного горения вместе с последующим ударом, который не смог преодолеть падающее вещество».

«В отсутствие каких-либо доказательств яркой вспышки на таком близком расстоянии, наблюдения M31-2014-DS1 указывают на признаки неудавшейся сверхновой, которая приводит к коллапсу ядра звезды», — добавили они

Плотность внутри разрушающегося ядра настолько велика, что электроны вынуждены объединяться с протонами, создавая нейтроны и нейтрино. Этот процесс называется нейтронизацией, и он провоцирует мощный всплеск нейтрино, который несет в себе около 10% энергии массы покоя звезды. Такой всплеск называется нейтринным ударом.

Нейтрино получили свое название благодаря тому, что они электрически нейтральны и редко взаимодействуют с обычной материей. Каждую секунду около 400 млрд нейтрино от нашего Солнца проходят прямо через каждого человека на Земле. Но в звездном ядре их плотность настолько велика, что некоторые из них отдают свою энергию веществу, которое окружает звезду. При этом материал нагревается, что приводит к образованию ударной волны.

Нейтринная ударная волна всегда замедляется, но иногда случаются исключения. Когда она возобновляется, то приводит к взрыву и выбрасывает внешний слой сверхновой. Если же она не возрождается, ударная волна не проходит, и звезда разрушается, образуя черную дыру.

В M31-2014-DS1 нейтринный удар не возобновился. Исследователи смогли определить количество материала, выброшенного звездой, и оно оказалось намного меньше того, что выбрасывает сверхновая. Эти ограничения означают, что большая часть звездного материала обрушилась в ядро, превысив максимальную массу нейтронной звезды и образовав черную дыру. По словам исследователей, около 98% массы звезды разрушилось и появилась черная дыра величиной около 6,5 солнечных масс.

Трудность обнаружения «неудавшихся» сверхновых в состоит в том, что с ними ничего не происходит. При этом сверхновую трудно не заметить, потому что она очень яркая и появляется на небе внезапно. Древние астрономы зафиксировали несколько таких вспышек.

M31-2014-DS1 — не единственная несостоявшаяся сверхновая, о которой известно астрономам. В 2009 году был обнаружен другой такой объект. Это была сверхгигантская красная звезда в NGC 6946, «Галактике фейерверков». Она получила название N6946-BH1, имеет массу около 25 солнечных масс. Исчезнув из поля зрения, она оставила после себя лишь слабое инфракрасное свечение. В 2009 году ее светимость возросла до миллиона солнечных светимостей, но к 2015 году она исчезла в оптическом свете.

С помощью Большого бинокулярного телескопа было проведено наблюдение за 27 близлежащими галактиками в поисках исчезнувших массивных звезд. Результаты свидетельствуют о том, что от 20% до 30% объектов заканчивают свою жизнь в виде неудавшихся сверхновых. Однако M31-2014-DS1 и N6946-BH1 — единственные подтвержденные наблюдения.

Ранее сообщалось, что в центре нашей галактики обнаружили огромную черную дыру. Размером она напоминает Солнце, но при этом в миллионы раз тяжелее. Ее огромное гравитационное притяжение перемешивает межзвездную пыль и газ вокруг нее. Этот объект — «сердце» Млечного Пути, определяющее формирование и эволюцию нашей галактики.