Данные космического телескопа Gaia Европейского космического агентства заставили астрофизиков переписывать учебники. Измеряя с исключительной точностью координаты и траектории миллиардов звезд, аппарат обнаружил в Млечном Пути гравитационные системы, которых, согласно классической теории, не должно существовать. Речь идет о солнцеподобных звездах, обращающихся вокруг невидимых массивных спутников — «спящих» черных дыр, которые не выдают себя рентгеновским излучением и не пожирают вещество.
Две такие системы, получившие обозначения Gaia BH1 и Gaia BH2, поставили перед теоретиками фундаментальный вопрос. Орбитальный период в паре Gaia BH1 составляет 185,5 суток, а масса черной дыры превышает солнечную в 9,3 раза. В системе Gaia BH2 период обращения и вовсе достигает 1276,7 суток — почти три с половиной года. Согласно стандартной модели звездной эволюции, широкие орбиты здесь невозможны: при превращении массивной звезды в черную дыру пара обязана пройти через фазу катастрофического сближения, закончившуюся либо слиянием, либо формированием тесной системы с периодом в несколько часов.
Группа астрофизиков из Института астрофизики Общества Макса Планка под руководством Александры Олежак предложила решение этого парадокса. В исследовании, опубликованном в The Astrophysical Journal, авторы доказали: широкие орбиты сохраняются, если учесть реальную геометрию сброса массы в период расширения звезды-прародителя. Ключевая ошибка классических моделей заключалась в допущении, что вещество покидает систему исключительно из окрестностей маломассивного спутника. В паре с двадцатикратной разницей масс легкая звезда удалена от общего центра тяжести на огромное расстояние и движется с высокой скоростью, поэтому каждый грамм газа, выброшенный из этой зоны, уносит максимум орбитального момента, действуя как торможение.
Авторы работы рассчитали эволюцию на вычислительном коде MESA, задав альтернативное условие: от 90 до 100 процентов сбрасываемого газа улетает в космос с удельным моментом массивного донора, а не малого спутника. Расчеты показали, что орбитальный период остается практически постоянным на протяжении всей фазы истечения. Для Gaia BH1 начальная круговая орбита с периодом около 190 суток после сброса водородной оболочки трансформировалась в орбиту с периодом около 170 суток, а финальный коллапс гелиевого ядра зафиксировал ее на отметке 185,5 суток.
Физических механизмов, заставляющих гигант сбрасывать вещество напрямую, оказалось четыре. Область гравитационного влияния малого спутника при соотношении масс двадцать к одному составляет лишь около семи процентов от сечения звезд равного веса — большая часть потока плазмы физически не помещается в узкую зону захвата. В подповерхностных слоях массивных звезд возникают зоны аномальной непрозрачности, где давление света превышает гравитацию, срывая внешние слои еще до контакта с границей перетока. Вращение звезды приводит к полярным выбросам, уносящим момент перпендикулярно плоскости орбиты. Наконец, при медленном вращении гиганта вещество, текущее к спутнику, закручивается, огибает зону его притяжения и обрушивается обратно — процесс, названный самоаккрецией.
Статистическая проверка гипотезы на программном комплексе StarTrack подтвердила ее состоятельность. Классическая схема предсказывает нулевое количество широких систем с периодами от ста до полутора тысяч суток, тогда как новая модель формирует выраженный пик именно в этом диапазоне. Экстраполяция на общую массу диска Галактики приводит к выводу: в Млечном Пути должно существовать порядка ста тысяч аналогичных систем с неактивными черными дырами. То, что астрономы пока зафиксировали лишь единичные объекты, объясняется пределами чувствительности приборов — заметить «спящий» гравитационный компаньон можно только по микроскопическим смещениям видимой звезды.
Предложенный механизм неконсервативного сброса массы объясняет не только структуру Gaia BH1 и Gaia BH2. Он снимает противоречия в данных по широким двойным системам с белыми карликами и нейтронными звездами, изолированным гелиевым звездам Вольфа — Райе и даже физике сверхъярких рентгеновских источников. Коррекция формул потери углового момента неизбежно скорректирует и теоретические предсказания частоты гравитационных всплесков для детекторов LIGO, Virgo и KAGRA. Черные дыры Gaia BH1 и Gaia BH2 перестали быть необъяснимыми исключениями: они доказали, что массивная звезда способна сбросить избыточную оболочку напрямую, не увлекая за собой легкого спутника и сохраняя стабильную конфигурацию системы на миллиарды лет.
