Первое обнаружение «спящей» черной дыры в нашем ближайшем окружении

В октябре была обнаружена ближайшая к нам черная дыра рентгеновского излучения. Недавно телескоп Gemini North на Гавайях обнаружил новую черную дыру всего в 1600 световых годах от Земли. Это первая неактивная черная дыра звездной массы на нашем космическом заднем дворе. Ее близость к Земле представляет собой интересную цель для изучения с целью углубления нашего понимания эволюции бинарных систем.

Черные дыры — самые экстремальные объекты во Вселенной. Принято считать, что в центре всех галактик, вероятно, находится сверхмассивная черная дыра в миллионы или миллиарды раз массивнее Солнца, но ученые не знают их точного происхождения.

Однако ученые полагают, что черные дыры меньшего размера образуются из массивных звезд, разрушившихся после термоядерной жизни. В результате эти черные дыры со звездной массой — примерно в 5-100 раз превышающей массу Солнца — встречаются гораздо чаще: только в Млечном Пути их около 100 миллионов.

Их можно идентифицировать по рентгеновскому излучению, которое они испускают, когда потребляют материал от близлежащего звездного компаньона в двойных звездных системах. Несмотря на такую интенсивную светимость, на сегодняшний день подтверждено существование лишь нескольких из них. В отличие от этих «активных» черных дыр, спящие черные дыры не делают абсолютно ничего: они не притягивают к себе ни ближайшие звезды, ни материал. Поэтому из них не исходит рентгеновское излучение, они остаются невидимыми.

Недавно астрономы с помощью телескопа Gemini North на Гавайях, одного из телескопов-близнецов Международной обсерватории Gemini, управляемой лабораторией NSF NOIRLab, обнаружили ближайшую к Земле спящую черную дыру, получившую прозвище Gaia BH1. Она примерно в 10 раз массивнее Солнца и находится на расстоянии около 1600 световых лет от нас в созвездии Змееносец, что делает ее в три раза ближе к Земле, чем предыдущий рекордсмен — рентгеновский бинар в созвездии Волопас. Исследование было опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Спящая черная дыра

Команда смогла определить наличие черной дыры, наблюдая за движением ее компаньона — звезды, похожей на Солнце, которая вращается вокруг черной дыры на таком же расстоянии, как Земля вращается вокруг Солнца.

Карим Эль-Бадри, астрофизик из Гарвардского и Смитсоновского центров астрофизики и Института астрономии Макса Планка, ведущий автор исследования, объясняет в своем заявлении: «Возьмите Солнечную систему, поместите черную дыру туда, где находится Солнце, а Солнце — туда, где находится Земля, и вы получите эту систему. Хотя было много заявлений об обнаружении подобных систем, почти все эти открытия впоследствии были опровергнуты. Это первое однозначное обнаружение звезды, подобной Солнцу, на широкой орбите вокруг черной дыры звездной массы в нашей галактике«.

Как уже упоминалось ранее, хотя в Млечном Пути, вероятно, существуют миллионы черных дыр со звездной массой, обнаруженные были открыты благодаря их энергичному взаимодействию со звездой-компаньоном, порождающему мощное рентгеновское излучение и струи вещества. Если черная дыра не питается активно (т.е. находится в состоянии покоя), она просто сливается со своим окружением.

Ограниченный по времени поиск

Команда первоначально определила, что в системе может находиться черная дыра, проанализировав данные с космического аппарата Gaia Европейского космического агентства. Это позволило зафиксировать крошечные неровности в движении звезды, вызванные гравитацией невидимого массивного объекта.

Для более детального изучения системы Эль-Бадри и его команда обратились к прибору Gemini Multi-Object Spectrograph на Gemini North, который отличается высокой скоростью и наблюдательностью. У команды был лишь короткий промежуток времени для проведения последующих наблюдений.

Эль-Бадри отмечает: «Когда мы впервые получили указание на то, что в системе находится черная дыра, у нас была всего неделя до того, как два объекта оказались на самом близком расстоянии на своих орбитах. Измерения на этом этапе необходимы для точных оценок массы в бинарной системе. Способность Gemini предоставить наблюдения в течение короткого периода времени имела решающее значение для успеха проекта. Если бы мы пропустили это узкое окно, нам пришлось бы ждать еще год«.

Таким образом, команда смогла измерить скорость звезды-компаньона, когда она вращалась вокруг черной дыры, и узнать точное значение ее орбитального периода. Исследователи также идентифицировали центральное тело как черную дыру, примерно в 10 раз более массивную, чем Солнце.

Ценная информация о бинарных системах

К сожалению, существующие астрономические модели эволюции бинарных систем не могут объяснить, как возникла особая конфигурация системы Gaia BH1. В частности, звезда, породившая недавно обнаруженную черную дыру, должна была быть как минимум в 20 раз массивнее Солнца. Это означает, что она прожила бы всего несколько миллионов лет.

Авторы объясняют, что если бы две звезды образовались одновременно, то эта массивная звезда быстро превратилась бы в сверхгигант, раздувая и поглощая другую звезду, прежде чем она успела бы стать настоящей звездой главной последовательности, сжигающей водород, как наше Солнце.

Ученые не могут понять, как звезда с солнечной массой могла пережить этот эпизод и превратиться в обычную звезду. Все теоретические модели, допускающие возможность выживания, приходят к выводу, что она должна была находиться на гораздо более узкой орбите, чем наблюдаемая.

Таким образом, становится ясно, что в нашем понимании формирования и эволюции черных дыр в бинарных системах существуют значительные пробелы, что также предполагает существование неизученной популяции спящих черных дыр в бинарных системах.