Загадка выживших: как жёлтые карлики уживаются с чёрными дырами

Астрономы давно заинтересованы необычными двойными системами, в которых желтые карлики успешно вращаются вокруг черных дыр на довольно близком расстоянии. Вопрос не в том, что у относительно маленькой звезды такой опасный партнер, а в том, как она может просуществовать до момента его образования.

Фото: NASA by JPL-Caltech, PDM

Чёрная дыра

Черная дыра звездной массы — это бывшее ядро очень массивной звезды, чаще всего в десятки раз тяжелее Солнца. Такие звезды не живут долго: иногда всего за 10 миллионов лет в их ядрах полностью исчерпывается термоядерное топливо.

Затем ничто не может сдерживать гравитацию, которая стремится сжимать вещество. От этого сжатия ядро нагревается, разогревает и раздувает окружающие слои. Звезда временно становится красным гигантом, а затем взрывается сверхновой — сбрасывает всю внешнюю оболочку. Ядро при этом коллапсирует само в себя: превращается в черную дыру.

Этот классический сценарий не позволяет представить, что у черной дыры может быть живая и невредимая карликовая звезда-партнер, тем более на близком расстоянии. По всем расчетам, крупная звезда должна поглотить ее, еще будучи на стадии красного гиганта: стареющие звезды расширяются до огромных диаметров, и находиться рядом с ними в это время — верная гибель.

Именно поэтому так удивляют астрономов две системы, обнаруженные космической обсерваторией Gaia: BH1 и BH2. BH означает black hole — черная дыра. Черная дыра № 1 находится в 1560 световых годах от нас, в созвездии Змееносца, № 2 — в 3800 световых лет от Земли, в созвездии Центавра. Их массы очень похожи: 9,6 и 8,9 массы Солнца.

Обе системы имеют партнеров, причем в обоих случаях это звезды массой, примерно равной нашему Солнцу. Обе еще живы, хотя вторая уже завершает основной этап своей эволюции и стала красным гигантом. Тем не менее, это по своему типу солнцеподобная звезда.

Интересно, что эти "солнца" расположены очень близко к своим черным дырам: у BH1 звезда находится почти на расстоянии Земли от Солнца, у BH2 — там, где в Солнечной системе находится Юпитер. При этом "прародительницы" этих черных дыр были звездами огромных масс: например, BH2 была ядром звезды массой в 92 Солнца, а BH1 точно имела массу больше 50 Солнц. Как они при таких габаритах не поглотили своих партнеров еще до своей смерти или не выбросили их из системы после взрыва сверхновых, — интересный вопрос.

Команда астрономов из Швейцарии, США, Испании и Греции предложила ответ. В своей статье ученые поделились расчетами, из которых следует, что эти огромные "прародительницы" черных дыр никогда не были красными гигантами: к моменту исчерпания ядра они давно рассеяли большую часть своего вещества.

В космосе наблюдаются такие примеры, их называют звездами Вольфа — Райе (в честь французских астрономов-первооткрывателей). Эти звезды изначально очень массивны, но они не могут удерживать в себе такую массу и постепенно выбрасывают ее. Один из самых ярких примеров — WR 124, окруженная тяжелой "тучей" собственного выброшенного вещества, хотя она при этом не взрывалась сверхновой.

Как объяснили астрономы, при таком сценарии к моменту своего конца у BH2 должно было остаться массы всего примерно на 11 Солнц. Пара солнечных масс была отброшена прочь, а остальное схлопнулось в черную дыру.

Моделирование показало, что в принципе все это позволяет желтым карликовым партнерам продолжать спокойно существовать, пока с их гигантскими "братьями" происходят все эти трансформации. Кстати, маломассивные звезды "сжигают" в себе водород миллиарды лет, так что для них метаморфозы тяжеловесов — мимолетное воспоминание.

Наблюдаемая ситуация порождает и более интересный вопрос: значит ли это, что планеты у солнцеподобных звезд тоже могут пережить подобное соседство и впоследствии существовать рядом с черной дырой? Однако пока астрономические инструменты недостаточно эффективны, чтобы уверенно обнаруживать планеты на таких расстояниях.

Уточнения

Жёлтый карлик — класс небольших звёзд главной последовательности, имеющих массу от 0,84 до 1,15 массы Солнца и температуру поверхности 5000—6000 K (более горячие звёзды человеком визуально будут восприниматься как голубоватые или голубые).