Учёные обнаружили убедительные доказательства того, что некоторые массивные звёзды заканчивают своё существование хныканьем, а не взрывом, и погружаются в созданную ими же чёрную дыру, не обладая светом и яростью сверхновой.
Чтобы понять, почему это важно, начнём с краткого курса по эволюции звёзд. Звёзды генерируют энергию через процессы ядерного синтеза в своих ядрах, превращая водород в гелий. Когда звёзды, имеющие как минимум в восемь раз большую массу, чем наше Солнце, исчерпывают запас водорода, они начинают синтезировать другие элементы — гелий, углерод, кислород и так далее, пока не образуется инертное железное ядро, для синтеза которого требуется больше энергии, чем оно может произвести. На этом этапе термоядерные реакции прекращаются, а выработка энергии, удерживающей звезду, испаряется. Внезапно гравитация получает полную свободу и вызывает коллапс ядра, в то время как внешние слои звезды отскакивают от сжимающегося ядра и взрываются наружу, порождая сверхновую, которая в течение нескольких недель может светить ярче, чем целая галактика.

Тем временем сжимающееся ядро образует компактный объект. Этот объект часто оказывается вращающейся нейтронной звездой, называемой пульсаром, но при определённых условиях это может быть чёрная дыра звёздной массы. Это стандартная история звёздной эволюции. Однако астрономы начинают приходить к идее, что некоторые звёзды в состоянии образовывать чёрные дыры без взрыва сверхновой.
Исследователи время от времени замечают случаи неудавшихся сверхновых — звёзд, которые начинают светиться ярче, как будто готовы взорваться, но затем ослабевают и исчезают. В других местах исследования старых фотопластин в рамках проекта «Исчезновение и появление объектов в течение столетия наблюдений» (VASCO), возглавляемого Беатрис Вильярроэль (Beatriz Villarroel), обнаружили на этих старых пластинках десятки звёзд, которых больше не видно; как будто они бесследно исчезли.
Могут ли эти неудавшиеся сверхновые и исчезающие звёзды быть свидетельством того, что звёзды почти полностью втягиваются в чёрную дыру, которую они же и образуют, прежде чем у них появляется шанс взорваться? Ну, возможно, считают некоторые учёные.
«Если бы кто-то стоял и смотрел на видимую звезду, переживающую полный коллапс, это могло бы походить на наблюдение за тем, как звезда внезапно гаснет и исчезает с небес, — сказал в своём заявлении Алехандро Винья-Гомес (Alejandro Vigna-Gómez) из Института Макса Планка. — В последнее время астрономы действительно наблюдали внезапное исчезновение ярко сияющих звёзд.»
И хотя эта идея пока всё ещё остается лишь теорией, теперь у неё есть убедительные доказательства в виде странной бинарной системы, которую изучали Винья-Гомес и его команда. Обозначенная как VFTS 243, эта система была обнаружена в 2022 году и находится в Туманности Тарантула, расположенной в Большом Магеллановом Облаке. Она содержит звезду массой 25 солнечных масс и чёрную дыру массой 10 солнечных масс, которая должна была образоваться из массивной звезды, завершившей свой жизненный путь относительно недавно, по космическим меркам.
«VFTS 243 — это исключительная система, — сказал Винья-Гомес. — Несмотря на то, что VFTS 243 содержит звезду, коллапсировавшую в чёрную дыру, следов взрыва обнаружено нигде не было.»
Например, орбиты звезды и чёрной дыры в VFTS 243 вокруг их общего центра масс остаются почти круговыми. Однако взрывы сверхновых асимметричны: в одном направлении выделяется немного больше энергии, чем в другом, что придаёт компактному объекту «натальный толчок». Такой толчок ускоряет компактный объект, в результате чего его орбита расширяется и становится более вытянутой. Обычно этот толчок составляет от 30 до 100 километров (от 19 до 62 миль) в секунду, однако чёрная дыра в VFTS 243, в самом лучшем случае, получила толчок всего в четыре километра (2,5 мили) в секунду.
Последствия натальных толчков ранее наблюдались у пульсаров, но никогда прежде — у чёрных дыр звёздной массы. Очень возможно, что это рассказывает нам нечто важное о том, как образуются чёрные дыры звёздной массы, и VFTS 243 представляет собой наиболее ясный взгляд на результаты этого процесса.
Натальные толчки возникают из-за трёх факторов: выброса обломков взрывающейся звезды, всплеска нейтрино из коллапсирующего ядра звезды и гравитационных волн. Однако если не будет сверхновой, то не будет и обломков, оставив в результате только нейтрино и гравитационные волны для создания гораздо меньшего толчка — именно это наблюдается в VFTS 243.
Если это правда, то это означает, что многие из самых массивных звёзд во Вселенной, которые так ярко светят, заканчивают свои жизни в безмолвной тьме, втягиваясь в небытие чёрной дыры. Это также может быть конечной судьбой выжившей звезды в VFTS 243, когда она достигнет конца своего жизненного пути.
Есть и более широкие последствия. Взрыв сверхновой — это фабрика элементов. Такие элементы, как кислород, углерод и азот из внешних слоёв умирающей звезды, не только выбрасываются в космос, где они могут быть переработаны в следующее поколение звёзд и планет, но и интенсивное тепло и энергия ударной волны сверхновой могут привести к образованию даже более тяжёлых элементов в обломках сверхновых. Например, одна из причин, по которой сверхновые сияют так ярко и так долго, заключается в том, что радиоактивный распад изотопов никеля, образовавшихся в результате взрыва, приводит к образованию кобальта и железа.
Однако если некоторые массивные звёзды полностью коллапсируют в чёрные дыры без взрывов сверхновых, то они не могут способствовать созданию и переработке элементов. Таким образом, космохимикам придётся учитывать эту концепцию, если она действительно верна, в своих моделях того, как элементы формируются и распространяются в космосе. Только тогда они смогут начать полностью понимать химическую эволюцию галактик, включая нашу собственную, и то, как быстро могут накапливаться элементы, необходимые для формирования таких планет, как Земля, возможно, даже с собственной жизнью, состоящей из элементов, образующихся в результате взрыва звёзд.
Результаты исследования VFTS 243 были опубликованы 9 мая в журнале Physical Review Letters.