Космический телескоп Gaia обнаружил интересную систему всего в 1600 световых годах от Земли: звезда солнечного типа почему-то колеблется не так, как должно быть. Значит, рядом находится некоторый — незаметный — массивный объект. Например, черная дыра. С помощью обсерватории Gemini астрономы исследовали систему. Они обнаружили, что массивный объект — действительно бездействующая черная дыра звездной массы, которая всего в 10 раз массивнее Солнца. Gaia BH1, или Gaia DR3, — так называется открытая двойная система — гораздо ближе к Земле, чем предыдущая подтвержденная черная дыра. Как отыскать «маленькую» спрятавшуюся черную дыру и почему непримечательный сосед — это странно, читайте в материале InScience.News.
Статья о находке вышла в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS). Астрономы Карим Эль-Бадри (Kareem El-Badry), Ханс-Уолтер Рикс (Hans-Walter Rix), Элиот Кватарт (Eliot Quataert) и другие их коллеги исследовали подобные двойные системы несколько лет. Из полученного массива данных, из многих попыток найти и подтвердить бездействующую черную дыру, «прячущуюся» в двойной системе, это первая удача. Открытие подтверждает и то, что параллельно другая команда под руководством Суканья Чакрабарти независимо представила исследование о той же системе — и практически без различий в числовых данных. Вывод — существует значительная (пока не исследованная) популяция бездействующих черных дыр в двойных системах. Хотя раньше было много предположений о существовании таких систем, почти все из них до сих пор опровергались.
Как найти черную дыру
Ученые полагают, что черных дыр во Вселенной сравнительно немного. Еще меньше кандидатов в подобные объекты подтверждено, а все доказанные черные дыры — «активные», то есть они постоянно поглощают вещество вокруг. Вне двойных систем, подобных Gaia BH1, бездействующие «спящие» черные дыры неуловимы для исследователей. Например, предположить, что где-то существует черная дыра, можно на основе данных об искажении света звезд гравитацией особо массивных объектов. Но подтвердить это чрезвычайно сложно.
Данные о звездах собирает космический телескоп Gaia с гало-орбиты в 1,5 млн км от Земли, что в 4 раза дальше, чем Луна. С его помощью астрономы и определили, что система Gaia BH1 — двойная, причем вторым объектом может быть черная дыра. На это намекнули колебания звезды, которые мог вызвать некий невидимый объект с большой массой. Черная дыра вполне подходит под описание этого объекта. Команда гарвардского астронома Карима Эль-Бадри обратилась к телескопу Gemini North на Гавайях, одному из двух телескопов международной обсерватории Gemini, и многообъектный спектрограф выяснил характер и скорость движения звезды. Был найден ее орбитальный период. Звезда-спутник вращается вокруг «темной массы» примерно на том же расстоянии, что и Земля вокруг Солнца.
Хотя в одном только Млечном Пути может быть огромное количество таких черных дыр «звездной массы», до сих пор их было обнаружено немного. Те, что есть, можно подтвердить как раз через взаимодействие со звездой-компаньоном: ей «питается» черная дыра, и это могут засечь земные лаборатории. Вещество от звезды приближается к черной дыре и перегревается так, что излучает мощные рентгеновские лучи. Впрочем, такой метод работает для активных черных дыр. А точно доказать существование бездействующей черной дыры можно только по орбите спутника. Исследователи команды Эль-Бадри пишут: «Мы не находим правдоподобного астрофизического сценария, который мог бы объяснить орбиту [этой звезды] и не включал бы черную дыру».
Найденная черная дыра — дыра звездной массы. Вилка массы таких объектов — это диапазоны от 2 до 5 и от 50 до 150 солнечных масс (M☉). Звезда-спутник сравнима с Солнцем: примерно в 0,93 солнечной массы и 0,99 радиуса. Температура на ней — около 5850 K. Масса черной дыры системы Gaia BH1 — 9,62 M☉. По этому показателю массы ученые выяснили, что гравитационный радиус черной дыры Gaia BH1 должен составлять около 30 км. Гравитационный радиус, или радиус Шварцшильда, — граница области черной дыры, характеристика ее размера, если она сферически симметрична.
Как рождается и умирает звезда
NASA/JPL
Исследователи заключают: «Скромный эксцентриситет (числовая характеристика «сжатости» с боков кривой орбиты — прим. InScience.News) системы, высокая металличность (концентрация в звездах элементов тяжелее водорода и гелия — прим. InScience.News) и тонкодисковая галактическая орбита предполагают, что она родилась в диске Млечного Пути». Но неясно, как сформировалась система. Современные модели эволюции двойных систем с трудом могут это объяснить. Звезда-прародитель, которая сжалась до черной дыры в Gaia BH1, судя по ее массе и размерам, прожила бы всего несколько миллионов лет и была бы минимум в 20 раз массивнее Солнца. Если центральная звезда и звезда-спутник образовывались в одно время, то более массивная, став сверхгигантом, просто поглотила бы массу второй еще до того, как та сформируется. Поэтому непонятно, как в системе вообще оказалась звезда-спутник, а те модели, в которых она «выживает», то есть не поглощается при своем рождении, показывают, что ее орбита должна быть другой, чем есть сейчас. Спутник очень «нормальный»: звезда похожа на Солнце по многим характеристикам; но именно такую «обычность» рядом с черной дырой ученые пока затрудняются объяснить.
Более перспективными могут быть модели или троек, или динамического формирования системы в открытом кластере. Как бы то ни было, опубликованные исследования поднимают важную проблему: существуют большие пробелы в понимании того, как формируются и эволюционируют черные дыры. Не открыта (или не доказана) целая популяция таких бездействующих черных дыр в двойных системах. Астроном Суканья Чакрабарти указывает на то, что только во Млечном Пути может быть около миллиона систем из звезды и черной дыры.
Несколько лет назад ученые нашли «тройную» систему HR 6819. Всего в 1100 световых годах от Солнца две звезды вращаются по своим орбитам, и в центре, предполагалось, находится черная дыра — еще ближе, чем Gaia BH1. Но открытие не подтвердилось: неверно была определена масса звезд. Такой же «самозванец» — LB-1. Но доказательство наличия черной дыры в Gaia BH1, напротив, не зависит от массы и орбиты звезды-спутника. Также в октябре 2022 года команда астрономов во главе с Суканья Чакрабарти из Алабамского университета в Хантсвилле выпустила статью, в которой сообщалось о той же системе. Gaia BH1 у них — Gaia DR3, но команда также приходит к выводу, что эта двойная система содержит черную дыру на орбите. Числовые параметры, которые они приводят к собственному доказательству, что в Gaia DR3 есть черная дыра, соотносятся с описанием Gaia BH1 командой Эль-Бадри: «Наши выводы не зависят от исследования Эль-Бадри и др., которые недавно сообщили об открытии той же системы и обнаружили незначительно меньшую массу спутника, чем мы».
Автор: Александра Абанькова
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
