Очень массивные звёзды, чья масса превышает солнечную в 100 раз и более, подобны «рок-звёздам» Вселенной: они яркие, мощные, живут быстро и умирают молодыми. Новое исследование, опубликованное на сервере препринтов arXiv, показывает, что такие звёзды выбрасывают в окружающее пространство гораздо больше вещества, чем считалось ранее, перед тем как коллапсировать в чёрные дыры. Учёные из Института перспективных исследований в Италии (SISSA) под руководством Кендалл Шепард раскрыли, как мощные звёздные ветры влияют на эволюцию этих гигантов и формирование чёрных дыр. Рассказываем, почему это открытие меняет наше понимание космоса.

Сверхмассивные звёзды: жизнь в ускоренном темпе

В отличие от нашего Солнца, которое проживёт около 10 миллиардов лет, сверхмассивные звёзды сжигают своё ядерное топливо за считанные миллионы или даже сотни тысяч лет. Их масса, превышающая солнечную в 100–230 раз, делает их редкими и крайне влиятельными объектами во Вселенной. Эти звёзды не только ярко светят, но и выбрасывают мощные звёздные ветры — потоки частиц, которые срывают их внешние оболочки и обогащают окружающее пространство элементами, такими как углерод и кислород, необходимыми для формирования новых звёзд и жизни.

«Очень массивные звёзды — это как рок-звёзды Вселенной: они мощные, живут быстро и умирают молодыми. Их звёздный ветер больше похож на ураган, чем на лёгкий бриз», — объясняет Кендалл Шепард в интервью Space.com.

Эти звёзды также являются прародителями чёрных дыр, включая бинарные системы, которые при слиянии порождают гравитационные волны, регистрируемые на Земле. Исследование Шепард и её коллег показывает, что звёздные ветры таких гигантов гораздо мощнее, чем предполагалось, и это меняет представление о формировании чёрных дыр.

Новые наблюдения и моделирование

Сверхмассивные звёзды — редкость, и до недавнего времени их было сложно изучать из-за ограниченного числа наблюдений. Однако благодаря космическим и наземным телескопам учёные впервые смогли напрямую наблюдать такие звёзды в Туманности Тарантул в Большом Магелланова Облаке. Среди них выделяется звезда R136a1 — самая массивная из известных, с массой до 230 солнечных и возрастом всего 1.5 миллиона лет (против 4.6 миллиарда лет у Солнца).

Наблюдения показали, что эти звёзды относятся к редкому типу Вольф-Райе (WNh) — горячих и ярких, с остатками водорода на поверхности. Их температура достигает 40 000–50 000 °C, что противоречит стандартным моделям, предсказывающим расширение и охлаждение звёзд на поздних стадиях. Чтобы объяснить это, команда Шепард разработала новую модель в коде эволюции звёзд PARSEC (PAdova and tRieste Stellar Evolution Code), учитывающую более мощные звёздные ветры.

«Наши новые модели с усиленными звёздными ветрами теперь соответствуют наблюдениям. Мощные ветры срывают внешние слои звезды, предотвращая её охлаждение и сохраняя состав поверхности, характерный для звёзд WNh», — поясняет Шепард. Это позволяет звёздам оставаться компактными и горячими дольше, что идеально согласуется с данными наблюдений.

Как рождаются гиганты вроде R136a1?

Исследование выявило два возможных пути формирования сверхмассивных звёзд, таких как R136a1:

  1. Одиночная звезда: R136a1 могла родиться с начальной массой более 100 солнечных масс, что требует пересмотра верхнего предела массы звёзд в локальной Вселенной.
  2. Слияние бинарной системы: Две звезды в бинарной системе могут слиться, образуя одну сверхмассивную звезду. Для этого требуется меньшая начальная масса, что делает такой сценарий более вероятным.

«Меня удивило, что наши результаты дают два разных объяснения происхождения R136a1. Слияние бинарных звёзд как возможный путь формирования таких гигантов — это захватывающая идея», — отмечает Шепард.

Влияние на чёрные дыры

Мощные звёздные ветры существенно влияют на массу чёрных дыр, образующихся после коллапса этих звёзд. Поскольку ветры срывают значительную часть массы, итоговые чёрные дыры получаются менее массивными, чем предсказывали старые модели. Это снижает вероятность формирования промежуточных чёрных дыр (массой 100–10 000 солнечных масс), которые астрономы пока не могут уверенно обнаружить.

«Более сильные ветры приводят к образованию меньших чёрных дыр, что делает наши модели ближе к реальным наблюдениям», — говорит Шепард. Кроме того, новые модели лучше объясняют существование бинарных чёрных дыр с массами более 30 солнечных, которые сливаются, порождая гравитационные волны, регистрируемые детекторами LIGO и Virgo.

В стандартных моделях с более слабыми ветрами звёзды в бинарных системах расширяются и часто сливаются ещё до превращения в чёрные дыры. Сильные ветры, напротив, удерживают звёзды на расстоянии, позволяя им выжить как пара чёрных дыр, которые позже сближаются и сливаются.

Что дальше?

Исследование проводилось в контексте Большого Магелланова Облака с его уникальным химическим составом. Следующий шаг — расширить модели на другие регионы Вселенной с различным составом звёзд. Это позволит понять, как меняются популяции чёрных дыр в зависимости от условий.

«Результаты пока не универсальны. Мы хотим изучить звёзды с разным начальным химическим составом, чтобы смоделировать разные уголки Вселенной», — заключает Шепард. «Будет захватывающе узнать, как изменятся предсказания о чёрных дырах».

Почему это важно?

Сверхмассивные звёзды играют ключевую роль в эволюции Вселенной:

  • Их звёздные ветры и взрывы сверхновых обогащают космос элементами, необходимыми для новых звёзд и планет.
  • Углерод и кислород, выброшенные такими звёздами, — строительные блоки для жизни.
  • Они формируют чёрные дыры, включая бинарные системы, чьи слияния порождают гравитационные волны, открывая окно в изучение космоса.

На X пользователи обсуждают открытие с энтузиазмом: «R136a1 — настоящий монстр! 230 солнечных масс, и это ещё не предел?» — пишет один из них. Другие отмечают: «Новые модели звёздных ветров могут перевернуть наше понимание чёрных дыр и гравитационных волн».

Заключение

Сверхмассивные звёзды, такие как R136a1, выбрасывают огромное количество вещества через мощные звёздные ветры, которые срывают их внешние оболочки перед коллапсом в чёрные дыры. Новое исследование команды Кендалл Шепард, основанное на наблюдениях Туманности Тарантул и моделировании в коде PARSEC, показывает, что эти ветры мощнее, чем считалось ранее. Это открытие объясняет свойства звёзд WNh, снижает вероятность формирования промежуточных чёрных дыр и подтверждает существование массивных бинарных чёрных дыр, порождающих гравитационные волны. Исследование открывает новые горизонты для понимания эволюции звёзд и чёрных дыр, а будущие работы обещают ещё больше открытий о Вселенной.