Разорванная звезда

Как чёрная дыра разрывает звезду, подошедшую слишком близко, и зажигает сердце галактики

Шаг за шагом

Звезда приближается

Почти в каждой большой галактике в центре есть гигантская чёрная дыра. У Млечного Пути это Стрелец A* с массой в четыре миллиона Солнц; у этой — миллион, как у большинства дыр, замеченных за разрыванием звёзд. Вокруг таких дыр по своим орбитам роятся звёзды, и время от времени две проходят так близко друг от друга, что одну из них забрасывает на путь, ведущий прямо к дыре.

Сама дыра мала для своей массы. Её горизонт событий — поверхность, изнутри которой не выходит даже свет, — примерно вчетверо шире Солнца. Её тяготение искривляет свет звёзд позади, поэтому небо вокруг её чёрной тени выглядит искажённым.

Пунктирное кольцо — приливный радиус. Снаружи него звезду удерживает её собственное тяготение. Внутри — ничто.

Растянутая

Дыра притягивает ближнюю сторону звезды сильнее, чем дальнюю. Возле приливного радиуса эта разница — прилив — сравнивается с собственным тяготением звезды, и звезду вытягивает.

Приливы бывают не только у чёрных дыр. Луна поднимает их в океанах Земли, потому что сильнее притягивает обращённую к ней сторону Земли. Здесь притяжение так круто меняется с расстоянием, что на ширине звезды разница превосходит её собственное тяготение.

Астрономы называют это спагеттификацией: всё, что падает, вытягивается в длинную тонкую нить. Для чёрной дыры в миллион Солнц звезда вроде Солнца доходит до этой точки примерно в 70 млн км от неё — это половина расстояния от Земли до Солнца и всё ещё далеко от горизонта.

Всё происходит быстро. Мчась со скоростью в десятки тысяч километров в секунду, звезда проходит путь от приливного радиуса до точки наибольшего сближения всего примерно за 18 минут.

Разорвана

Ничто не взрывается. Звезда просто перестаёт быть единым целым: её газ сохраняет прежнюю скорость, но каждая часть находится на чуть другом расстоянии от дыры и потому движется по чуть другой орбите. Сплющенная при пролёте, а затем растянутая, звезда превращается в длинный тонкий поток.

Сторона, которая была ближе к дыре, движется чуть медленнее, чем нужно для побега, и теперь связана с ней. Дальняя сторона движется чуть быстрее и уже не вернётся. Эта маленькая разница решает всё, что будет дальше.

Компьютерное моделирование показывает, что вся звезда распускается за несколько часов.

Река газа

Через несколько дней поток становится длиннее расстояния от Земли до Солнца. Его связанная половина, ближняя к дыре, замедляется и упадёт обратно; другая половина улетает навсегда.

Поток остаётся тонким, потому что его собственное тяготение сдерживает его с боков, даже когда он вытягивается в тысячи раз длиннее звезды. Расползаясь, газ остывает, поэтому настоящий поток тусклый. Телескопы его не видят, но моделирование прослеживает его подробно.

Как делится газ, определяется энергией, которую унесла каждая часть: чем ближе к дыре она была в звезде, тем прочнее связана. Самый прочно связанный газ летит по орбите, уносящей его примерно на 46 расстояний от Земли до Солнца, прежде чем повернуть назад.

Пунктирное кольцо — орбита Земли в том же масштабе.

Половина улетает

Улетающий газ уносит в галактику половину массы звезды. Со скоростью в тысячи километров в секунду он будет миллионы лет дрейфовать между звёздами — тонкая дуга газа, которая когда-то была солнцем.

Связанный газ движется вокруг дыры по длинным узким орбитам, как кометы вокруг Солнца. Газ, лежавший ближе всего к дыре, имеет самую короткую орбиту и возвращается первым; остальной следует за ним месяцами и годами, каждый раз всё меньше.

Пунктирное кольцо — орбита Нептуна в масштабе. Вскоре поток простирается далеко за пределы всей нашей планетной системы.

Возвращение

В тяготении Ньютона орбита замыкается сама на себя. Вблизи чёрной дыры — нет: теория Эйнштейна заставляет каждую орбиту поворачиваться чуть дальше, как орбита Меркурия вокруг Солнца, только здесь примерно на 23 градуса за виток, а не на волосок.

Поэтому газ, только что обогнувший дыру, вылетает обратно по чуть другой линии и врезается в поток, который ещё падает, — примерно в 16 расстояниях от Земли до Солнца. Столкновение нагревает газ и отнимает у него скорость, и понемногу он оседает в горячий закрученный диск вокруг дыры.

Как именно возвращающийся газ превращается в диск, всё ещё изучают с помощью одних из крупнейших расчётов в астрономии.

Вспышка

Телескопы замечают такие вспышки как внезапное яркое свечение в самом центре галактики, которая до того была спокойной. AT2019qiz, открытый в 2019 году в галактике в 215 млн световых лет от нас, — ближайший из известных; яркость и температура вспышки здесь — измеренные, хотя её ход во времени взят из простейшей модели.

Её видимый свет исходит от облака горячего газа вокруг дыры, в десятки раз шире орбиты Земли, выброшенного вспышкой и освещённого изнутри. Сам диск, глубже, светит в основном в ультрафиолете и рентгене.

Вблизи дыры её тяготение искривляет свет диска, поэтому дальняя сторона диска видна над чёрной тенью и под ней.

Угасание

С каждым днём возвращается всё меньше газа, и вспышка угасает, как показывает график. Через несколько лет от неё почти ничего не остаётся, и чёрная дыра снова затихает.

Возвращающегося газа становится меньше по закону, который следует из того, как распределилась энергия потока: темп падает как время в степени минус пять третей. Свет многих вспышек угасает именно так — один из самых ясных признаков того, что это действительно разорванные звёзды.

Примерно половина звезды падает обратно. Часть её поглощается, а многое снова выдувается жаром. Дыра прибавляет долю массы Солнца — почти ничто для тела в миллион раз тяжелее.

В галактике вроде нашей такое случается примерно раз в 10 000–100 000 лет. Поскольку галактик очень много, обзорные телескопы уже находят десятки таких событий в год, а обсерватория имени Веры Рубин в Чили, как ожидается, найдёт тысячи.