Очень массивные звёзды, коллапсирующие в чёрные дыры, могут выбрасывать в космос гораздо больше вещества в течение своей короткой жизни, чем считалось ранее.

Чтобы объяснить астрономические наблюдения за этими звёздами, чья масса превышает 100 солнечных, команда учёных пришла к выводу, что их звёздные ветры должны быть намного мощнее прежних оценок. Эти ветры настолько сильны, что способны сдувать внешние слои гигантских звёзд в окружающее пространство.

Моделирование команды показало, как двойные системы могут приводить к слияниям звёзд, формируя единые сверхмассивные объекты. Также исследователи изучили, как усиленные звёздные ветры влияют на популяцию чёрных дыр, уменьшая вероятность образования загадочных чёрных дыр промежуточной массы.

«Сверхмассивные звёзды — это настоящие ‘рок-звёзды’ Вселенной: они мощные, живут ярко и умирают молодыми», — говорит Кендалл Шепард, исследователь из Итальянского института передовых исследований (SISSA). «Их звёздный ветер больше похож на ураган, чем на лёгкий бриз».

В то время как наше Солнце проживёт около 10 миллиардов лет, сверхмассивные звёзды сжигают своё ядерное топливо гораздо быстрее, существуя всего несколько миллионов или даже сотен тысяч лет.

Несмотря на короткую жизнь, эти гиганты оказывают огромное влияние на свою галактику.

«Мощные ветра и последующие взрывы сверхновых выбрасывают в космос вновь образованные элементы, такие как углерод и кислород — кирпичики жизни», — объясняет Шепард. «Кроме того, они становятся прародителями чёрных дыр, включая двойные системы, чьи слияния порождают гравитационные волны, фиксируемые на Земле».

Диета звёзд-гигантов: как ветра «сдувают» массу

В новом исследовании команда проанализировала теоретические и наблюдательные данные о сверхмассивных звёздах.

«Эти звёзды настолько редки, что до недавнего времени у нас почти не было наблюдательных данных», — говорит Шепард. «Но с помощью космических и наземных телескопов учёные впервые смогли изучить несколько звёзд в Туманности Тарантула (Большое Магелланово Облако) с массами свыше 100 солнечных».

На этой иллюстрации художника показаны относительные размеры молодых звезд: от самых маленьких красных карликов, масса которых составляет около 0,1 массы Солнца, до желтых карликов с малой массой, таких как Солнце, и до массивных голубых карликов, масса которых в восемь раз больше массы Солнца, а также звезды R136a1 с массой в 300 масс Солнца. (Изображение предоставлено Европейской южной обсерваторией)

Предыдущие исследования показали, что самые массивные звёзды в этой туманности относятся к редкому типу горячих и ярких звёзд Вольфа-Райе (WNh), находящихся на завершающей стадии горения водорода.

«Они оказались невероятно горячими — от 40 000 до 50 000 °C, что противоречит стандартным моделям, предсказывающим их остывание с возрастом», — отмечает Шепард. «Учёные объединили теорию и наблюдения, создав новую ‘формулу’ потери массы».

Используя эту формулу в эволюционном коде PARSEC, команда смоделировала звёзды Туманности Тарантула.

«Наши модели с усиленными ветрами теперь соответствуют наблюдениям: мощные потоки срывают внешние слои, не давая звезде остыть и сохраняя её компактность», — объясняет Шепард.

Два пути рождения самой массивной звезды

Исследование предполагает, что самая тяжёлая из известных звёзд — R136a1 (230 масс Солнца) — могла образоваться двумя путями:

1. Как одиночная звезда-гигант.

2. В результате слияния двух звёзд.

«Удивительно, но для объяснения природы R136a1 подходят оба сценария», — говорит Шепард. «Но если звезда родилась одиночной, её начальная масса должна быть больше, чем в случае слияния. Это может изменить наши представления о верхнем пределе массы звёзд».

Как ветра влияют на чёрные дыры?

Усиленные звёздные ветра приводят к большим потерям массы, что сказывается на размерах образующихся чёрных дыр.

«Из-за мощных ветров звезда теряет столько вещества, что в конце жизни формирует меньшую чёрную дыру», — говорит Шепард. «Это объясняет, почему чёрные дыры промежуточной массы (100–10 000 солнечных) так редки — их просто не из чего формироваться!»

Кроме того, новые модели лучше объясняют существование двойных чёрных дыр с массами свыше 30 солнечных, чьи слияния фиксируют гравитационные обсерватории.

«Сильные ветра раздвигают звёзды, не давая им слиться до коллапса, и в итоге образуется пара чёрных дыр, которые позже могут столкнуться», — поясняет Шепард.

Пока исследование охватывает только Большое Магелланово Облако. Следующий шаг — изучить звёзды в других галактиках с разным химическим составом, чтобы понять, как меняются популяции чёрных дыр во Вселенной.

«Будущие модели могут полностью изменить наше понимание эволюции самых массивных звёзд и чёрных дыр», — заключает Шепард.