Чорні діри галактик, що зливаються, поглинають менше зірок, ніж мали б.
У центрі більшості галактик є принаймні одна надмасивна чорна діра, яку оточує щільне центральне зоряне скупчення - ядро галактики. Чорна діра на те і чорна, що вона не випромінює. Натомість випромінює речовину, яка під час падіння на надмасивний об'єкт нагрівається до дуже високих температур - це випромінювання можна «побачити» за допомогою телескопів.
У активних галактиках є газові скупчення, які живлять чорну діру і тим самим дозволяють її помітити. Однак велика частина галактик (близько 90%) неактивні - вони «мовчать», тому що в них немає газових скупчень. У неактивних галактиках єдине джерело речовини для чорної діри - зірки, які періодично виявляються занадто близько до неї. Коли така «необережна» зірка руйнується приливними силами, астрономи фіксують подію приливного руйнування (TDE) (англ. tidal disruption event; змодельоване руйнування зірки можна подивитися тут).
На даний момент зафіксовано всього близько п'ятдесяти спалахів від TDE, а в середньому на одну галактику одна зірка руйнується раз в 10-100 тис. років. І якщо ми звідки і можемо отримати інформацію про те, що відбувається в центрі неактивної галактики, то тільки від TDE.
За допомогою даних, отриманих від TDE, астрофізики будують моделі пристрою галактики, і найпростіша теоретична модель - галактика зі сферичним ядром, в центрі якого знаходиться надмасивна чорна діра. Навколо неї обертаються зірки, які дифундують в просторі швидкостей, іншими словами, змінюють напрямок свого руху при проходженні поблизу один від одного, подібно до того, як змінюють свою траєкторію більярдні кулі при зіткненні.
Але якщо більярдна куля, щоб потрапити в лузу, повинна рухатися прямо у напрямку до неї, то у зірки більш широкий діапазон напрямків: її вектор швидкості повинен знаходитися в межах так званого конуса втрат, тоді вона буде захоплена і зруйнована гравітацією чорної діри. Відповідно до цієї найпростішої моделі захоплення зірок має відбуватися приблизно раз на 1-10 тис. років, тобто дещо частіше, ніж воно відбувається насправді. Модель можна доповнити, взявши до уваги, наприклад, відмінності в зоряних масах, але у доповненій моделі темп захоплення тільки збільшується.
Досі в науковій літературі обговорювався лише один механізм, який може зменшити темп захоплення зірок - якщо більшість зірок з малим моментом імпульсу зникне. Що це означає, можна уявити на прикладі дифузії газу: нехай хаотично рухомі молекули газу поглинаються на стінці судини, тоді, якщо прибрати найближчі до стінки ряди молекул, кількість молекул за одиницю часу зменшиться, оскільки дальнім молекулам ще потрібно дістатися до стінки. Так само і з чорною дірою: якщо прибрати зірки з центру, темп захоплення зменшиться. Зірки, звичайно, не можна просто так взяти і прибрати, але якщо в центрі галактики знаходиться подвійна чорна діра, то зірка, яка налітає на неї, може бути викинута за межі галактики, зробивши так званий гравітаційний маневр. Інша назва цього явища - ефект рогатки.
За законом збереження енергії, коли зірка отримує прискорення, тобто добавку до своєї кінетичної енергії, енергія подвійної чорної діри повинна зменшитися. У результаті чорні діри стають ближчими один до одного і починають зливатися. І, як підтверджено недавнім сенсаційним відкриттям, на останніх етапах злиття чорних дір частина енергії випромінюється у вигляді гравітаційних хвиль. (Тут можна переглянути комп'ютерну симуляцію зіткнення галактик Чумацького Шляху і Андромеди.)
Хоча при злитті галактик темп захоплення може зменшуватися, одночасно з цим спостерігається і протилежний ефект. Ядро будь-якої галактики, яка виникла в результаті злиття, трохи відрізняється від сфери. У несферичному ядрі зірки сильніше перемішуються, тому більше зоряних орбіт пролягає біля чорної діри. Через злиття темп захоплення буде збільшуватися, хоча ефект рогатки повинен його зменшувати. Щоб зрозуміти, як ці протилежні ефекти вплинуть на темп захоплення, випускники МФТІ Кирило Лежнін і Євген Васильєв проаналізували, як змінюється темп захоплення при різних масах центральної чорної діри, при різних геометріях центральних скупчень, при різних початкових умовах.
Виявилося, що видалення зірок з центру гравітаційним манивром має значення тільки для «сферичної галактики у вакуумі», однак при злитті галактик буде мати місце хоча б мала несферичність. У результаті руйнування повинна зазнати в середньому одна зірка за 10 тис. років.
З одного боку, це узгоджується з попередніми результатами теоретичних розрахунків, а з іншого ж - виникає питання про те, чому спостережуваний темп подій приливного руйнування нижче, ніж передбачають теоретичні моделі. Отримані результати дослідники їх колеги з Оксфордського університету та Фізичного інституту ім. П. Н. Лебедєва РАН опублікували в The Astrophysical Journal.
За словами Кирила Лежніна, їм вдалося показати, що "... спостережуваний низький темп захоплення не можна пояснити за допомогою ефекту рогатки. Отже, потрібно шукати механізм, що виходить за межі вивчення зоряної динаміки. Можливо, подій приливного руйнування відбувається стільки, скільки ми порахували. Тоді треба думати, чому ми їх можемо не бачити ".
За матеріалами прес-служби МФТІ.