Конечная стадия самых массивных звёзд, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может вырваться
Среди самых драматичных исходов эволюции звёзд ни один не является более экстремальным, чем появление звёздных чёрных дыр — объектов с такой плотностью, что скорость убегания с их поверхности превышает скорость света. Образовавшиеся из коллапсировавших ядер массивных звёзд (обычно свыше ~20–25 M⊙), эти чёрные дыры представляют собой последний акт насильственного космического цикла, завершающийся сверхновой коллапса ядра или прямым коллапсом без яркой ударной волны. В этой статье мы рассмотрим теоретические основы формирования звёздных чёрных дыр, наблюдательные доказательства их существования и свойства, а также то, как они порождают высокоэнергетические явления, такие как рентгеновские двойные системы и слияния гравитационных волн.
1. Начало звёздных чёрных дыр
1.1 Последние остатки массивных звёзд
Звёзды с большой массой (≳ 8 M⊙) покидают главную последовательность гораздо быстрее, чем звёзды с меньшей массой, в конечном итоге синтезируя элементы вплоть до железа в ядрах. За пределами железа синтез уже не приносит чистой энергии, поэтому по мере роста железного ядра и достижения им массы, при которой давление вырождения электронов или нейтронов не может противостоять дальнейшему сжатию, ядро коллапсирует во время сверхновой.
Не все ядра сверхновых стабилизируются как нейтронные звёзды. Особенно в случае очень массивных протозвёзд (или при определённых условиях ядра) гравитационный потенциал может превысить пределы давления вырождения, и коллапсировавшее ядро превращается в чёрную дыру. В некоторых случаях очень массивные или с низкой металличностью звёзды могут избежать яркой сверхновой и коллапсировать напрямую, образуя звёздную чёрную дыру без яркого взрыва [1], [2].
1.2 Коллапс в сингулярность (или область экстремального искривления пространства-времени)
Общая теория относительности предсказывает, что если масса сжата в объём меньше, чем радиус Шварцшильда (Rs = 2GM / c2), объект становится чёрной дырой – областью, из которой свет не может вырваться. Классическое решение показывает горизонт событий, формирующийся вокруг центральной сингулярности. Квантовые поправки к гравитации остаются спекулятивными, но макроскопически чёрные дыры проявляются как области с очень искривлённым пространственно-временным континуумом, сильно влияющие на окружение (аккреционные диски, струи, гравитационные волны и др.). Масса звёздных чёрных дыр обычно варьируется от нескольких до нескольких десятков M⊙ (а в редких случаях превышает 100 M⊙, например, при некоторых слияниях или условиях низкой металличности) [3], [4].
2. Путь сверхновой коллапса ядра
2.1 Коллапс железного ядра и возможные исходы
Внутри массивных звёзд, завершив стадию сжигания кремния, образуется железное ядро, которое становится инертным. Вокруг него остаются слои горения, но когда масса железного ядра приближается к пределу Чандрасекара (~1,4 M⊙), дальнейший синтез не может генерировать энергию. Ядро быстро коллапсирует, и плотность резко возрастает до ядерного уровня. В зависимости от начальной массы звезды и истории потери массы:
- Если после отскока масса ядра ≲2–3 M⊙, может образоваться нейтронная звезда после успешной сверхновой.
- Если масса или "отпавший" материал больше, ядро коллапсирует в звёздную чёрную дыру, возможно ослабляя или подавляя яркость взрыва.
2.2 «Несостоявшиеся сверхновые» или тусклые взрывы
Последние модели утверждают, что некоторые массивные звёзды могут не вызвать яркую сверхновую, если ударная волна не получает достаточно энергии от нейтрино или если большое количество массы падает обратно в ядро. С наблюдательной точки зрения такое явление могло бы проявиться как "исчезновение" звезды без яркого взрыва – "несостоявшаяся сверхновая" – напрямую образуя чёрную дыру. Хотя такие прямые коллапсы теоретически предполагаются, это всё ещё активная область наблюдений и исследований [5], [6].
3. Альтернативные пути формирования
3.1 Парная нестабильная сверхновая или прямой коллапс
Очень массивные звезды с низким содержанием металлов (≳ 140 M⊙) могут пережить парную нестабильную сверхновую, полностью разрушая звезду без остатка. Или в определенных массовых пределах (около 90–140 M⊙) может происходить частичная фаза парной нестабильности с пульсирующими выбросами, пока звезда в конце концов не коллапсирует. Некоторые из этих траекторий могут привести к достаточно массивным черным дырам – связанным с событиями гравитационных волн LIGO/Virgo, где обнаруживаются черные дыры большой массы.
3.2 Взаимодействия в двойных системах
В близких двойных системах перенос массы или слияния звезд могут сформировать более тяжелые гелиевые ядра или звезды Вольфа-Райе, что в конечном итоге ведет к черным дырам, способным превышать массу одиночной звезды. Данные гравитационных волн о слияниях черных дыр, часто 30–60 M⊙, показывают, что двойные системы и сложные эволюционные пути могут создавать неожиданно массивные звездные черные дыры [7].
4. Доказательства наблюдения звездных черных дыр
4.1 Рентгеновские двойные системы
Один из основных способов подтвердить существование звездной черной дыры – рентгеновские двойные системы: черная дыра аккрецирует материю из ветра компаньонной звезды или через границу Роша. Процессы в аккреционном диске высвобождают гравитационную энергию, создавая интенсивное рентгеновское излучение. Анализируя орбитальную динамику и функции массы, астрономы определяют массу компактного объекта. Если она превышает предел нейтронной звезды (~2–3 M⊙), объект классифицируется как черная дыра [8].
Основные примеры рентгеновских двойных систем
- Cygnus X-1: один из первых надежных кандидатов в черные дыры, обнаружен в 1964 г.; ~15 M⊙ черная дыра.
- V404 Cygni: выделяется яркими вспышками, раскрывающими ~9 M⊙ черную дыру.
- GX 339–4, GRO J1655–40 и другие: периодически меняют состояния, демонстрируют релятивистские струи.
4.2 Гравитационные волны
С 2015 года сотрудничество LIGO-Virgo-KAGRA обнаружило множество сливающихся звездных черных дыр через сигналы гравитационных волн. Эти события раскрывают черные дыры в диапазоне 5–80 M⊙ (иногда больше). Формы волн на фазах спирали и "ringdown" соответствуют предсказаниям общей теории относительности Эйнштейна о слияниях черных дыр, подтверждая, что звездные черные дыры часто бывают в двойных системах и могут сливаться, высвобождая огромные дозы энергии в виде гравитационных волн [9].
4.3 Микролинзирование и другие методы
Теоретически микролинзирование может выявлять чёрные дыры, когда они проходят перед более удалёнными звёздами и искажают их свет. Некоторые признаки микролинзирования могут относиться к свободно «бродящим» чёрным дырам, однако точная идентификация сложна. Обзоры широких полей времени могут обнаружить больше бродячих чёрных дыр в диске или гало нашей Галактики.
5. Строение звёздных чёрных дыр
5.1 Горизонт событий и сингулярность
С классической точки зрения горизонт событий — это граница, за которой скорость убегания превышает скорость света. Любая падающая материя или фотоны необратимо пересекают этот горизонт. В центре Общая теория относительности предсказывает сингулярность — точку (или кольцо в случае вращения) с бесконечной плотностью, хотя реальные квантовые гравитационные эффекты остаются нерешённой проблемой.
5.2 Вращение (чёрная дыра Керра)
Звёздные чёрные дыры часто вращаются, приобретая угловой момент первичной звезды. Для вращающейся (Kerro) чёрной дыры характерно:
- Эргосфера: Область за горизонтом, где вращение пространства-времени (frame-dragging) особенно сильно.
- Параметр вращения: Обычно определяется как безразмерная величина a* = cJ/(GM2), которая варьируется от 0 (невращающаяся) до близкой к 1 (максимальное вращение).
- Эффективность аккреции: Вращение сильно влияет на то, как материя может вращаться у горизонта, изменяя модели рассеяния рентгеновских лучей.
Наблюдения (например, профили линий Fe Kα или непрерывные спектральные свойства аккреционного диска) в некоторых рентгеновских двойных системах позволяют оценить вращение чёрной дыры [10].
5.3 Релятивистские струи
Когда чёрная дыра аккумулирует материю в рентгеновских двойных системах, она может запускать релятивистские струи вдоль оси вращения, используя механизм Blandford–Znajek или процессы MHD диска. Такие струи могут проявляться как «микроквазары» и демонстрируют связь между звёздными чёрными дырами и сверхмассивными чёрными дырами в явлениях струй AGN.
6. Роль в астрофизике
6.1 Обратное влияние окружения
Аккреция материи на звёздную чёрную дыру в областях звездообразования может создавать рентгеновский обратный эффект, нагревая близкую газовую среду и, возможно, влияя на формирование звёзд или химическое состояние молекулярных облаков. Хотя такой эффект не так глобален, как в случае сверхмассивных чёрных дыр, эти меньшие чёрные дыры всё же могут влиять на окружение в звёздных скоплениях или комплексах звездообразования.
6.2 Нуклеосинтез r-процесса?
При слиянии двух нейтронных звёзд может образоваться чёрная дыра большей массы или стабильная нейтронная звезда. Этот процесс, связанный с выбросами килоновых, является одним из основных источников производства тяжёлых элементов r-процесса (например, золота, платины). Хотя конечным результатом является чёрная дыра, окружающая среда вокруг слияния определяет важную астрофизическую нуклеосинтезу.
6.3 Источники гравитационных волн
Слияния звёздных чёрных дыр генерируют одни из самых сильных сигналов гравитационных волн. Обнаруженные этапы спирали и «ringdown» раскрывают чёрные дыры массой 10–80 M⊙, а также предоставляют проверку космических расстояний, тесты относительности и информацию об эволюции массивных звёзд и частоте двойного происхождения в различных галактических средах.
7. Теоретические вызовы и будущие наблюдения
7.1 Механизмы формирования чёрных дыр
Остаются открытые вопросы о том, какая масса звезды необходима для прямого формирования чёрной дыры, или как «потерянная» масса после сверхновой может значительно изменить конечную массу ядра. Наблюдательные данные о «несостоявшихся сверхновых» или быстрых слабых коллапсах могли бы подтвердить эти сценарии. Исследования крупномасштабных явлений (транзиентов) (Обсерватория Рубина, новые поколения рентгеновских миссий с широким полем) могут выявить случаи, когда массивные звёзды исчезают без яркого взрыва.
7.2 Состояние при чрезвычайно высоких плотностях
Хотя нейтронные звёзды дают прямые ограничения на сверхъядерную плотность, чёрные дыры скрывают свою внутреннюю структуру за горизонтом событий. Граница между максимальной возможной массой нейтронной звезды и образованием чёрной дыры связана с неопределённостями ядерной физики. Наблюдения массивных нейтронных звёзд (~2–2,3 M⊙) заставляет пересмотреть теоретические пределы.
7.3 Динамика слияний
По мере того как детекторы гравитационных волн фиксируют всё больше двойных чёрных дыр, статистический анализ распределения осей вращения, масс и смещений (красного смещения) раскрывает подсказки о содержании металлов в звездообразовании, динамике скоплений и путях эволюции двойных систем, порождающих эти сливающиеся чёрные дыры.
8. Выводы
Звёздные чёрные дыры обозначают впечатляющий финал самых массивных звёзд — объекты, в которых материя сжата настолько, что даже свет не может вырваться. Образовавшиеся в результате сверхновых коллапсов ядра (с потерей массы) или в некоторых случаях прямого коллапса, они имеют несколько или несколько десятков солнечных масс (а иногда и больше). Они проявляются в рентгеновских двойных системах, сильных сигналах гравитационных волн при слиянии и иногда более слабом следе сверхновой, если взрыв затухает.
Šis kosminis ciklas – masyvios žvaigždės gimimas, trumpas ryškus gyvenimas, kataklizminė mirtis ir juodosios skylės atsiradimas – keičia galaktikos aplinką, grąžindamas sunkesnius elementus į tarpžvaigždinę terpę ir žadindamas „aukštos energijos“ reiškinius. Dabartinės ir būsimos apklausos (nuo visos dangaus rentgeno iki gravitacinių bangų katalogų) vis tiksliau parodys, kaip šios juodosios skylės formuojasi, evoliucionuoja dvinarėse sistemose, sukasi ir galbūt susijungia, siūlydamos gilesnį suvokimą apie žvaigždžių evoliuciją, fundamentaliąją fiziką bei materijos ir erdvėlaikio sąveiką pačiuose kraštutinumuose.
Nuorodos ir tolesnis skaitymas
- Oppenheimer, J. R., & Snyder, H. (1939). «О продолжающемся гравитационном сжатии.» Physical Review, 56, 455–459.
- Woosley, S. E., Heger, A., & Weaver, T. A. (2002). «Эволюция и взрыв массивных звёзд.» Reviews of Modern Physics, 74, 1015–1071.
- Fryer, C. L. (1999). «Коллапс массивных звёзд в чёрные дыры.» The Astrophysical Journal, 522, 413–418.
- Belczynski, K., et al. (2010). «О максимальной массе звёздных чёрных дыр.» The Astrophysical Journal, 714, 1217–1226.
- Smartt, S. J. (2015). «Предшественники коллапса ядра сверхновых.» Publications of the Astronomical Society of Australia, 32, e016.
- Adams, S. M., et al. (2017). «Поиск неудавшихся сверхновых с помощью Большого бинокулярного телескопа: подтверждение исчезновения звезды.» Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 468, 4968–4981.
- Abbott, B. P., et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). (2016). «Наблюдение гравитационных волн от слияния двойной чёрной дыры.» Physical Review Letters, 116, 061102.
- Remillard, R. A., & McClintock, J. E. (2006). «Рентгеновские свойства двойных систем с чёрными дырами.» Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 44, 49–92.
- Abbott, R., et al. (LIGO-Virgo-KAGRA Collaborations) (2021). «GWTC-3: компактные слияния двойных систем, наблюдаемые LIGO и Virgo во второй части третьего наблюдательного цикла.» arXiv:2111.03606.
- McClintock, J. E., Narayan, R., & Steiner, J. F. (2014). «Вращение чёрной дыры через континуум-фиттинг и роль вращения в питании транзиентных джетов.» Space Science Reviews, 183, 295–322.