Столкновения звезд регулируют структуру ядерных скоплений у черных дыр

Астрофизики представили новое исследование, посвященное динамике ядерных звездных скоплений, окружающих сверхмассивные черные дыры (СМЧД). В работе, опубликованной на сервере arXiv, ученые моделируют, как столкновения звезд и разрушение двойных систем влияют на распределение вещества и эволюцию орбит вблизи центра галактики.

Ядерные звездные скопления содержат миллионы звезд и звездных остатков. Ключевую роль в их динамике играют три процесса: двухчастичное рассеяние, излучение гравитационных волн и столкновения. Авторы показывают, что во внутренней области скопления устанавливается стационарный профиль плотности, пропорциональный r^{-5/4}. Этот профиль определяется балансом между уничтожением звезд при столкновениях и пополнением за счет разрушения двойных систем.

Для черных дыр с массой менее 2?10^7 масс Солнца примерно половина звезд, заброшенных механизмом Хиллза, в конце концов сталкивается. Остальные испытывают приливное разрушение на орбитах с периодом от месяцев до лет. Для более массивных СМЧД такие краткопериодические события приливного разрушения подавляются, и большинство звезд погибает в столкновениях.

Отдельное внимание уделено формированию экстремальных слияний с малым отношением масс (sEMRI) — потенциальных источников квазипериодических извержений. Модель показывает, что sEMRI могут возникать вокруг черных дыр массой более 2?10^6 масс Солнца, но обычно прерываются столкновениями до того, как орбита успеет закрутиться.

Применяя результаты к центру Млечного Пути, ученые обнаружили, что предсказанный столкновительный профиль плотности согласуется с наблюдаемым наклоном распределения звезд. Оценка звездной массы внутри орбиты звезды S2 соответствует наблюдательному верхнему пределу. Модель также объясняет недавно открытую звезду S301 и предсказывает, что большинство звезд вблизи Sgr A* имеют эксцентричные орбиты, причем типичные эксцентриситеты могут быть вычислены.

Исследование подчеркивает, что столкновения звезд создают серьезный вызов для формирования sEMRI и, следовательно, для моделей квазипериодических извержений на основе звездных источников.