Astronomers simulate a star's final moments as it's swallowed by a black hole: 'Breaks like an egg'

В магическом мире космоса существует немало событий, заставляющих глаз затаить дыхание — от взрывов сверхновых до столкновений галактик. Однако ничто не сравнится по драматизму с процессом, когда чёрная дыра поглощает звезду. Благодаря современным компьютерным моделям и мощным суперкомпьютерам ученые получили уникальную возможность заглянуть в самые последние мгновения этого катастрофического события — момент, когда звезда буквально «ломается» под действием гравитационной силы чёрной дыры, а последствия этого — мощные вибрации и радиосигналы, доступные для обнаружения на Земле.

Как происходит поглощение звезды чёрной дырой

Периодически в астрономии фиксируются случаи, когда звезда оказывается в опасной близости к сверхмассивному объекту. В процессе приближения, под действием экстремальной гравитации, звезда начинает растягиваться и искажаться, напоминая тесто на раскатке. В течение нескольких секунд или минут структура звезды разрушится, а её материальная часть будет втянута в чёрную дыру.

Эксперты используют сложнейшие численные модели, чтобы понять, как именно происходит эта «разрушительная» сцена. В ходе моделирования выяснилось, что поверхность звезды, особенно у нейтронных звезд — плотных остатков после взрыва сверхновой, — становится настолько уязвимой, что разрывается по типу землетрясения или взрыва яичной скорлупы. В результате формируются мощные ударные волны, пробивающиеся сквозь структуру звезды, рвущие магнитные поля и создающие уникальные акустические и электромагнитные сигналы.

Феномен «разбитого яйца» и его признаки

Параллельно с классической моделью поглощения материи, ученые пришли к выводу, что последние мгновения жизни звезды сопровождаются выбросом мощных волн. Исследования, проведённые командой астрофизиков, во главе с Elias Most из Калифорнийского технологического института (Caltech), показывают, что поверхность нейтронных звезд разламывается примерно так же, как земля во время сильнейшего землетрясения. В этот момент происходит выброс серии акустических волн, а магнитные поля начинают интенсивно колыхаться и завиваться.

«Перед тем, как звезда исчезает в бездонной тьме чёрной дыры, её поверхность трескается, подобно скорлупе яйца. Но не только трещина — мы можем «услышать» этот процесс в виде мощных радиосигналов», — делится Most.

Этот эффект называют «разрушением как яйцо», и он играет ключевую роль в том, чтобы понять, что именно происходит в последние доли секунды перед поглощением. В ходе моделирования выяснилось, что магнитные поля нейтронной звезды, возникающие из-за её невероятно сильных магнитных сил, начинают заражать пространство акустическими волнами — так называемыми волнами Альфвена. Эти воздушные колебания способны стать источником радиоимпульсов, которые могут зафиксировать даже самые чувствительные телескопы на Земле.

Мощнейшие шоки и радиоимпульсы

Когда звезда окончательно «ломается», в симуляциях обнаруживаются «монстр-шоки» — ударные волны, превышающие по мощности все известные земные взрывы. Эти волны, по расчетам, создают мощнейшие электромагнитные импульсы, способные распространяться сквозь космическое пространство на миллиарды километров. Доказательства таких событий могут быть зафиксированы, как минимум, двумя способами: в радио- и рентгеновском диапазонах.

Особенно интересен феномен «быстрых радиоимпульсов» (FRB — fast radio bursts), которые, по последним данным, возникают именно в эти последние мгновения слияния нейтронной звезды и чёрной дыры. Эти сигналы очень короткие, но чрезвычайно мощные, поэтому их возможно обнаружить даже на большом расстоянии. Современные радиотелескопы, такие как сеть из 2000 антенн в Неваде, уже нацелены на то, чтобы поймать и зафиксировать такие сигналы, сообщая учёным о новых открытиях.

Образование «чёрного пульсара» и гипотеза о новой разновидности объектов

Кроме очевидных для науки феноменов, моделирование позволяет предсказать появление гипотетического объекта, известного как «чёрный пульсар». В отличие от классических пульсаров, представляющих собой вращающиеся нейтронные звезды, этот образец — черная дыра, которая, в ходе поглощения, проявляет свойства, схожие с пульсируновой радиопередачей. В ходе моделирования выяснилось, что магнетизм такой «чёрной звезды» может сохраняться достаточно долго, несмотря на поглощение материи, создавая пульсации, которые также будут излучать короткие сигналы в радио и оптических диапазонах.

Более того, симуляции показывают, что эти «пульсары-чёрные дыры» могут проявлять себя в виде слабых, но постоянных радиоимпульсов, что открывает новые горизонты в поиске необычных объектов во Вселенной.

Технологические достижения и будущее исследований

Важной частью прорыва в понимании этих процессов стало использование суперкомпьютеров, таких как Perlmutter, расположенный в Лоуренсберклийском национальном лаборатории. Это устройство оснащено графическими процессорами (GPU), что позволило моделировать сложнейшие системы с высокой точностью. Ранее такие задачи казались практически невозможными из-за ограничений вычислительных ресурсов, но сейчас ученые могут моделировать физические процессы, учитывающие гравитацию, магнитные поля, электромагнитные волны и другие параметры в единых расчетах.

Таким образом, новые симуляции дают не только теоретическую картину, но и реальные предсказания, которые могут быть подтверждены наблюдениями. Уже сейчас ведутся разработки новых телескопов и радиоинтерферометров, способных зафиксировать сигналы, исходящие именно из таких расщелин, разламывающих звезды в непосредственной близости к чёрной дыре.

Заключение

Эксперименты с моделированием космических катастроф отрывают завесу тайны над самыми экстремальными явлениями вселенной. Технологии позволяют не только визуализировать разрушение звезды, но и услышать звуки финальных аккордов космических драм — мощные радиоимпульсы и волны, которые, как оказывается, могут стать нашими ключами к пониманию процессов, происходящих в недрах вселенной. В будущем, возможно, ученым удастся обнаружить эти сигналы и понять, как именно происходит поглощение звезд чёрными дырами, что откроет новые страницы в истории космоса и астрофизики.