VFTS 243

Объект VFTS 243 был открыт в ходе обзора неба The VLT-FLAMES Tarantula Survey (VFTS), выполняемого при помощи комплекса телескопов VLT Европейской южной обсерватории с использованием многообъектного оптоволоконного спектрографа FLAMES. В рамках обзора были выполнены фотометрические и спектроскопические наблюдения более 800 звёзд, расположенных в туманности Тарантул, в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра. Одной из основных целей обзора было обнаружение массивных двойных звёздных систем методом доплеровской спектроскопии по вариациям лучевых скоростей их компонентов^[4].

Первый компонент системы VFTS 243 — горячая массивная голубая звезда главной последовательности спектрального класса O7 V, массой 25 ± 2,3 M_⊙ и радиусом 10,3 ± 0,8 R_⊙. Её эффективная температура составляет (36 ± 1)⋅10³ К, светимость 10^{5,20 ± 0,04} L_⊙ (т. е. примерно в 140—170 тысяч раз больше светимости Солнца). В 2022 году на основе анализа собранных в течение 6 лет наблюдательных данных о движении этой звезды было доказано, что вторым компонентом системы является чёрная дыра массой 10,1 ± 2,0 M_⊙^[2][5].

Оба компонента — звезда и чёрная дыра — обращаются вокруг общего центра масс с периодом 10,4 суток по орбитам, близким к круговым: их эксцентриситет равен e = 0,017 ± 0,012. Суммарная масса компонентов составляет 36,3+3,8
−5,4 M_⊙^[2]. Система VFTS 243 имеет относительно небольшой возраст — всего лишь 7,4 млн лет. Она расположена внутри туманности Тарантул (NGC 2070), которая находится в Большом Магеллановом Облаке^[2] (рис. 1), на расстоянии 49 ± 3 кпк^[6] (160 ± 10 тысяч световых лет) от Солнечной системы.

Большинство обнаруженных двойных систем с чёрными дырами являются источниками сильного рентгеновского излучения, испускаемого горячим аккреционным диском вокруг чёрной дыры. В отличие от них, система VFTS 243 не излучает в рентгеновском диапазоне длин волн. Это первая достоверно обнаруженная за пределами нашей Галактики чёрная дыра звёздной массы, не испускающая рентгеновского излучения^[7][8].

Открытие и исследование двойной системы VFTS 243 имеет большое значение для астрофизики в связи с тем, что оно позволило уточнить представления об эволюции звёзд и образовании чёрных дыр звёздной массы.

Если в двойной системе, состоящей из обычной звезды и компактного объекта, действует сильное приливное взаимодействие между компонентами, то оно может приводить к трём эффектам. Во-первых, под действием приливных сил часть вещества обычной звезды перетекает на компактный объект, образуя вокруг него аккреционный диск (рис. 2). Из-за трения вещество диска сильно нагревается и испускает рентгеновское излучение^[9][10]. Обычно по этому рентгеновскому излучению и обнаруживаются чёрные дыры звёздной массы в двойных системах^[11]. Во-вторых, приливные силы со временем приводят звезду к состоянию синхронного вращения, при котором период её собственного вращения совпадает с периодом орбитального обращения, вследствие чего звезда всегда будет повёрнута ко второму компоненту одной и той же стороной. В-третьих, приливные силы уменьшают эксцентриситет орбит обоих компонентов, постепенно приближая форму орбит к окружности (т. н. циркуляризация орбит)^[12].

Согласно общепринятым представлениям, на конечной стадии эволюции массивной звезды (массой больше 8 M_⊙), когда в её недрах заканчивается горючее для продолжения термоядерных реакций, происходит гравитационный коллапс её ядра и взрыв сверхновой, при котором внешняя часть звезды выбрасывается в окружающее пространство, а сжимающееся ядро превращается в нейтронную звезду либо в чёрную дыру^[13] — в зависимости от того, меньше или больше его масса предела Оппенгеймера — Волкова, составляющего 2—3 M_⊙^[14]. В системе VFTS 243 масса компактного компонента составляет не менее 9 M_⊙, следовательно это чёрная дыра^[2].

При взрыве сверхновой разлетающееся вещество обычно выбрасывается несимметрично, вследствие чего ядро взорвавшейся звезды получает импульс отдачи и дополнительную механическую энергию, равную энергии отдачи. Скорость отдачи составляет несколько сотен километров в секунду, вследствие чего объект выбрасывается из двойной системы в межзвёздное пространство либо переходит на сильно вытянутую орбиту с высоким эксцентриситетом^[15][16][3]. Однако, если между компонентами двойной системы действует сильное приливное взаимодействие, приводящее к аккреции вещества со звезды на чёрную дыру, то со временем под действием приливных сил орбита снова станет круглой и любая информация о характере взрыва сверхновой, отразившаяся в форме орбиты, «сотрётся». Если же приливное взаимодействие слабо (и, как следствие, рентгеновское излучение отсутствует), то форма орбиты такой системы сохраняет в себе информацию о процессе взрыва и полученной отдаче. Поэтому двойные системы с чёрной дырой, не испускающие рентгеновское излучение, являются ценными «космическими лабораториями» для изучения физики коллапса звёздных ядер и взрывов сверхновых. Объект VFTS 243 как раз является такой системой^[2].

Звезда главной последовательности в системе VFTS 243 обладает очень быстрым собственным вращением. Кроме того, в её внешних слоях обнаружено вещество, прошедшее термоядерную переработку в процессе CNO-цикла. Оба эти признака указывают на то, что ранее она перетянула на себя часть материала со звезды-компаньона, которая впоследствии превратилась в наблюдаемую ныне чёрную дыру. Этот процесс должен был циркуляризировать орбиту двойной системы ещё до образования чёрной дыры^[2].

Наблюдаемое собственное вращение звезды не синхронизировано с её обращением вокруг чёрной дыры. Это значит, что в нынешнем состоянии системы приливные силы между её компонентами пренебрежимо малы. Следовательно, после образования чёрной дыры орбита системы VFTS 243 не была подвержена циркуляризации и сохраняет ту форму, которая была у неё сразу после образования чёрной дыры. Если бы это событие сопровождалось взрывом сверхновой, то орбита системы должна была бы иметь форму сильно вытянутого эллипса с высоким эксцентриситетом. На самом же деле, каждый компонент системы VFTS 243 обращается вокруг другого по почти идеальной круговой орбите. Таким образом, если чёрная дыра при формировании испытала отдачу, то очень незначительную^[16]. Отсюда следует вывод, что звезда, породившая чёрную дыру, претерпела прямой гравитационный коллапс без мощного взрыва сверхновой и выброса значительной массы вещества^{[2][7][5][15][8]}.

Когда звезда в двойной системе взрывается, относительное изменение эксцентриситета орбиты пропорционально относительной массе выброшенного вещества (по отношению к полной массе звезды). Ничтожно малое изменение эксцентриситета орбиты VFTS 243 позволяет сделать вывод, что полная масса выброшенного вещества не превышала 1,1 M_⊙, из которых 0,2—0,5 M_⊙ приходилось на нейтрино. Следовательно, на сброшенную оболочку приходится не более, чем примерно 0,5 M_⊙ (несколько процентов от полной массы звезды)^[2].

Открытие объекта с такими свойствами стимулировало новые теоретические исследования эволюции звёзд в двойных системах. Проведённое в 2023 году компьютерное моделирование показало, что система VFTS 243 произошла от двойной звезды, один из компонентов которой имел массу 40—50 M_⊙ (тот, который впоследствии превратился в чёрную дыру), а второй компонент — 24—25 M_⊙. Период обращения системы составлял около 15 суток. Более массивная звезда эволюционировала быстрее и после ухода с главной последовательности раздулась, заполнив полость Роша, вследствие чего сбросила с себя бо́льшую часть внешней оболочки массой 30—40 M_⊙ (только незначительная часть которой была притянута звездой компаньоном). Оставшаяся часть звезды, имевшая массу 9,5—11,6 M_⊙, сжалась в чёрную дыру. Энергия взрыва не превышала 50 эрг, что характерно для неудавшихся сверхновых, а полученная скорость отдачи была меньше 10 км/с. Результаты исследования привели учёных к выводу, что процессы гравитационного коллапса звёздных ядер и взрывов сверхновых, приводящие к образованию различных компактных звёздных остатков (нейтронной звезды либо чёрной дыры), могут протекать по-разному, вследствие чего звёздные остатки в виде чёрных дыр не получают такого же импульса отдачи, какой получают нейтронные звёзды^[17].

Численное моделирование, проведённое в 2024 году, показало, что при коллапсе ядра массивной звезды в чёрную дыру высвобождение энергии и потеря массы происходят преимущественно за счёт излучения нейтрино. Причём, это излучение происходит сферически симметрично с высокой степенью точности (потоки нейтрино в разных направлениях отличаются не более чем на 4%, наиболее вероятное значение лежит в интервале 0—0,2%). Скорость отдачи при этом не превышает 4 км/с^[18][16]. Когда же в результате коллапса ядра сверхновой звезды образуется нейтронная звезда, сообщаемая ей скорость отдачи обычно составляет сотни километров в секунду^[16].

Кандидаты в несостоявшиеся сверхновые уже были известны ранее. Примером таких объектов является звезда N6946-BH1 массой около 25 M_⊙, которая в 2007—2009 годах наблюдалась как яркий красный сверхгигант, затем пережила краткую (длительностью несколько месяцев) вспышку светимости и к 2015 году практически погасла, став невидимой в оптическом диапазоне спектра^[19]. Более масштабные исследования, такие как проект «Исчезающие и появляющиеся источники в течение столетия наблюдений» (англ. Vanishing and Appearing Sources during a Century of Observations, VASCO)^[20], выявили тысячи звёзд, исчезнувших из обзоров неба, проводившихся за последние 70 лет^[16]. Система VFTS 243 указывает путь к разрешению загадки этого явления.

В будущем система VFTS 243 претерпит ещё одну фазу аккреции вещества, на этот раз в обратном направлении: с нынешней звезды главной последовательности на чёрную дыру. В течение ближайших 5 млн лет система превратится в двойную чёрную дыру. В течение нескольких десятков или сотен миллиардов лет оба её компонента потеряют механическую энергию за счёт излучения гравитационных волн и сольются в одну чёрную дыру^[2].