Формирование ультракомпактных двойных систем из черной дыры и белого карлика в шаровых скоплениях

Международная группа астрофизиков провела детальное моделирование образования ультракомпактных двойных систем в шаровых скоплениях. Речь идет о парах, где черная дыра звездной массы и белый карлик находятся на орбите с периодом менее часа. Такие системы представляют особый интерес для мультимессенджерной астрономии, поскольку их можно наблюдать одновременно как яркие рентгеновские источники и как источники гравитационных волн в миллигерцовом диапазоне.

Исследование выполнено с помощью кода Cluster Monte Carlo, моделирующего динамику звездных скоплений. Ученые выяснили, что основным механизмом формирования таких систем являются столкновения черной дыры с красным гигантом. В результате такого столкновения возникает общая оболочка, которая затем сбрасывается, оставляя компактную двойную систему. Для верификации этого сценария использовался гидродинамический код StarSmasher.

Моделирование показало, что образовавшиеся двойные системы начинают терять орбитальную энергию за счет излучения гравитационных волн и входят в контакт (когда белый карлик заполняет свою полость Роша) на временных масштабах менее миллиарда лет. Это приводит к началу аккреции вещества белого карлика на черную дыру и возникновению рентгеновского излучения.

Авторы работы сопоставили свои модельные результаты с реальными кандидатами в ультракомпактные рентгеновские двойные, наблюдаемыми в шаровых скоплениях Млечного Пути (например, 47 Tuc X9) и в других галактиках (RZ 2109 в NGC 4472). Хорошее согласие подтверждает, что предложенный механизм действительно работает в природе.

Особый интерес представляет оценка гравитационно-волнового сигнала от таких систем. Расчеты показывают, что в Млечном Пути может существовать порядка одной такой двойной, чьи гравитационные волны будут разрешимы будущим космическим детектором LISA (Лазерная интерферометрическая космическая антенна). Это открывает возможность открытия новых черных дыр в шаровых скоплениях с помощью гравитационных волн.

Работа опубликована на сервере препринтов arXiv и ожидает рецензирования. Полученные результаты важны для понимания эволюции компактных объектов в плотных звездных системах и планирования наблюдений LISA.