В районе центра Млечного Пути властвует находящаяся там сверхмассивная чёрная дыра. Перекрывающая всё гравитация Стрельца А* создаёт хаотичную область, где плотно упакованные, высокоскоростные звёзды врезаются друг в друга, как автомобили в гонках на выбывание.
Эти столкновения и удары навсегда меняют звёзды. Одни превращаются в странные маломассивные звёзды, а другие обретают новую жизнь.
Сверхмассивная чёрная дыра (СМЧД) Млечного Пути называется Стрелец А* (Sgr. A*). Sgr. A* примерно в четыре миллиона раз массивнее Солнца. При такой массе гораздо более мелкие звёзды поблизости легко попадают под воздействие мощной гравитации чёрной дыры и разгоняются до огромных скоростей.
В пределах 0,1 парсека от неё, или трети светового года, звёзды проносятся со скоростью тысячи километров в секунду. За пределами этой области скорость гораздо ниже. Звёзды за пределами 0,1 парсека движутся со скоростью в сотни км/с.
Но не только скорость является причиной столкновений. Регион также плотно упакован звёздами, образуя то, что астрономы называют ядерным звёздным скоплением (ЯЗС). Сочетание высокой скорости и высокой звёздной плотности создаёт область, где звёзды обязательно столкнутся.
Новое исследование под руководством Северо-Западного университета смоделировало звёзды, вращающиеся вокруг Sgr. A*, чтобы понять взаимодействие и столкновения, а также их результаты. Исследование называется "Звёздные столкновения в галактическом центре: Массивные звёзды, остатки столкновений и пропавшие красные гиганты". Ведущий автор — Санеа С. Роуз с факультета физики и астрономии Калифорнийского университета. Исследование также было недавно представлено на апрельской встрече Американского физического общества.
Исследователи смоделировали популяцию из 1000 звёзд, встроенных в NSC. Масса звёзд варьировалась от 0,5 до 100 солнечных масс, но на практике верхний предел составлял около 30 солнечных масс из-за функции начальной массы. Другие характеристики, например эксцентриситеты орбит, варьировались для того, чтобы в выборку попали звёзды на разных расстояниях от Sgr. A*. Это необходимо для того, чтобы составить полное представление о столкновениях звёзд.
"Область вокруг центральной чёрной дыры плотно заполнена звёздами, движущимися с чрезвычайно высокими скоростями", — говорит ведущий автор работы Роуз. "Это похоже на бег по невероятно переполненной станции метро в Нью-Йорке в час пик. Если вы не сталкиваетесь с другими людьми, то проходите очень близко от них. Для звёзд эти близкие столкновения всё равно приводят к гравитационному взаимодействию. Мы хотели изучить, что эти столкновения и взаимодействия означают для звёздного населения, и охарактеризовать их результаты".
Звёздная плотность в пределах 0,1 парсека совсем не похожа на окрестности нашей Солнечной системы. Ближайшая к нашему Солнцу звезда — маломассивная Проксима Центавра. Она находится на расстоянии чуть более четырёх световых лет. По сравнению с центром Галактики у нас практически нет соседей.
Но в ЯЗС всё совсем по-другому.
"Ближайшая к нашему Солнцу звезда находится на расстоянии около четырёх световых лет", — пояснил Роуз. "На том же расстоянии рядом со сверхмассивной чёрной дырой находится более миллиона звёзд. Это невероятно тесное соседство. Кроме того, сверхмассивная чёрная дыра обладает очень сильным гравитационным притяжением. Обращаясь вокруг чёрной дыры, звёзды могут двигаться со скоростью тысячи километров в секунду".
При такой высокой плотности звёзд столкновения неизбежны. Скорость столкновений тем выше, чем ближе звёзды к СМЧД. В своём исследовании Роуз и её коллеги смоделировали регион, чтобы определить влияние столкновений на отдельные звёзды и звёздную популяцию.
Моделирование показало, что лобовые столкновения происходят редко. Поэтому звёзды не разрушаются. Вместо этого они больше похожи на скользящие удары, когда звёзды могут лишиться внешних слоёв, прежде чем продолжить движение по своим траекториям.
«Они врезаются друг в друга и летят дальше, — говорит Роуз. — Они просто скребутся друг об друга, как будто обмениваются очень бурными приветствиями. В результате звёзды выбрасывают часть материала и теряют свои внешние слои. В зависимости от того, как быстро они движутся и насколько сильно пересекаются при столкновении, они могут потерять довольно много своих внешних слоёв. Эти разрушительные столкновения приводят к появлению популяции странных, лишённых внешних слоёв и маломассивных звёзд».
В итоге эти звёзды мигрируют прочь от СМЧД. Авторы говорят, что, скорее всего, существует популяция таких маломассивных звёзд, разбросанных по всему галактическому центру (ГЦ). Они также утверждают, что выброшенная масса в результате этих падающих столкновений может привести к образованию газовых и пылевых объектов, которые другие исследователи наблюдали в ГЦ, например X7, и G-объектов, таких как G3 и G2.
За пределами области 0,1 парсека звёзды движутся медленнее. В результате столкновения между звёздами не столь энергичны и разрушительны. Вместо того чтобы создавать популяцию ослабленных звёзд, столкновения позволяют звёздам сливаться, создавая более массивные звёзды. Возможны множественные слияния, в результате которых образуются звёзды, более массивные, чем наше Солнце.
"Несколько звёзд выигрывают в лотерею столкновений, — говорит Роуз. — В результате столкновений и слияний эти звёзды накапливают больше водорода. Хотя они образовались из более старой популяции, они маскируются под омоложённые, молодые звёзды. Они похожи на звёзд-зомби; они поедают своих соседей".
Но после того как они набирают массу, они ускоряют свою гибель. Они становятся похожими на молодые массивные звёзды, которые быстро расходуют своё топливо.
"Они умирают очень быстро, — говорит Роуз. — Массивные звёзды похожи на гигантские автомобили, поглощающие газ. Вначале у них много водорода, но они сжигают его очень и очень быстро".
Ещё одна загадочная вещь в этом внутреннем регионе — отсутствие красных гигантов. "Наблюдения за GC указывают на дефицит красных гигантов в пределах 0,3 пк от СМЧД", — пишут авторы, ссылаясь на другие исследования. Их результаты могут объяснить это. "Мы рассматриваем вопрос о том, могут ли столкновения звёзд главной последовательности помочь объяснить эту наблюдательную загадку, — пишут они. — Мы обнаружили, что в пределах ~ 0,01 пк от СМЧД звёздные столкновения уничтожают большинство маломассивных звёзд до того, как они успевают эволюционировать с главной последовательности. Таким образом, мы ожидаем отсутствия RG в этом регионе".
Область вокруг СМЧД Млечного Пути хаотична. Даже если не принимать во внимание саму чёрную дыру, её вращающийся аккреционный диск и измученные магнитные поля, звёзды, которые пляшут под её дудку, живут хаотично. Моделирование показывает, что большинство звёзд в GC испытают прямые столкновения с другими звёздами. Но их хаотичная жизнь может пролить свет на то, как развивался весь регион. А поскольку регион сопротивляется попыткам астрономов наблюдать его, подобные симуляции — их следующий лучший инструмент.
"Это среда, не похожая ни на какую другую, — говорит Роуз. — Звёзды, находящиеся под влиянием сверхмассивной чёрной дыры в очень переполненном регионе, не похожи ни на что, что мы когда-либо увидим в нашей собственной солнечной окрестности. Но если мы сможем узнать об этих звёздных популяциях, то, возможно, нам удастся узнать что-то новое о том, как формировался галактический центр. По крайней мере, это определённо выглядит совсем не так, как окрестности, в которых живём мы".
