Щільні зоряні скупчення - кульові скупчення та молоді масивні скупчення - відомі як фабрики екзотичних подій. Там народжуються подвійні системи чорних дір і нейтронних зірок, які згодом зливаються і випромінюють гравітаційні хвилі. Там же зорі можуть підходити занадто близько до компактних об'єктів і руйнуватися припливними силами. Нова робота, опублікована як препринт на arXiv, показує, що другий тип подій - причому в м'якшій, "мікро" версії - відбувається набагато частіше за перший, і має власні спостережні наслідки.

Як влаштована симуляція

Автори використали код Rapster - швидкий метод Монте-Карло для моделювання динамічної еволюції зоряних скупчень. На відміну від повних N-тільних симуляцій, такий підхід дозволяє прораховувати величезну кількість скупчень за розумний час: у цьому дослідженні змодельовано 10^5 скупчень у десяти варіаціях моделі та для двох сценаріїв історії формування.

Ключове доповнення - єдина модель еволюції спіну нейтронних зірок і чорних дір під час акреції диска, яка коректно описує перехід між цими типами об'єктів (коли нейтронна зоря колапсує в чорну діру). Крім того, дослідники додали нові динамічні канали руйнування зірок: не тільки класичне приливне руйнування подвійною системою, а й руйнування одиночним компактним об'єктом та подвійною системою з двох чорних дір. Слабші випадки таких зустрічей, коли зоря втрачає лише частину маси, а не розривається повністю, у роботі назвали мікроприливними руйнуваннями (µTDE).

Основні цифри

Темп злиттів чорних дір у моделі сягає піку при червоному зсуві z≈2-3 і становить кілька десятків подій на кубічний гігапарсек за рік. Це узгоджується з локальним темпом, який спостерігає колаборація LVK (LIGO-Virgo-KAGRA) за допомогою гравітаційно-хвильових детекторів.

Водночас сукупна кількість мікроприливних руйнувань перевищує кількість злиттів компактних об'єктів у кілька разів. Оскільки в моделі враховані лише подвійні системи, що утворилися динамічно (тобто внаслідок зустрічей у скупченні, а не від народження зірок-компаньйонів), близько 90% мікроприливних руйнувань відбуваються через зустрічі одиночного компактного об'єкта із зорею. Автори наголошують, що це - консервативна нижня межа: реальний темп може бути ще вищим, якщо врахувати системи, сформовані іншими шляхами.

Чому це важливо

Мікроприливні руйнування - не лише статистична цікавинка. Речовина зруйнованої зорі, що падає на компактний об'єкт під час прямої (програде) акреції, розкручує його. Це дає чисто динамічний механізм появи чорних дір з високим спіном - причому орієнтація спіну виявляється випадковою, на відміну від сценаріїв, де спін успадковується від еволюції подвійної системи із самого початку.

Для нейтронних зірок акреція під час мікроприливного руйнування може виявитися достатньою, щоб спровокувати колапс у чорну діру. Такі новоутворені об'єкти потраплятимуть у так звану нижню щілину мас - діапазон мас між найважчими відомими нейтронними зірками і найлегшими чорними дірами, де спостережних кандидатів дуже мало. Якщо механізм, описаний у роботі, справді працює в реальних скупченнях, він може пояснити частину дефіциту об'єктів у цьому діапазоні мас.

Результати також дають нову мотивацію для мультимесенджерних спостережень: злиття компактних об'єктів реєструють гравітаційно-хвильові детектори, тоді як мікроприливні руйнування - потенційно спостережувані електромагнітно, спалахами випромінювання від акреційного диска. Порівняння темпів і властивостей цих двох типів подій у щільних зоряних скупченнях може стати додатковим тестом моделей динамічної еволюції таких середовищ.