Новый метод поиска чёрных дыр позволил обнаружить самую маленькую из них

Чёрные дыры звёздной массы образуются на последнем этапе жизни некоторых звёзд, которые израсходовали всё своё термоядерное топливо. В отличие от сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей галактики, маломассивные чёрные дыры, как правило, регистрируются в двойных звёздных системах на периферии галактики и не имеют достаточного количества вещества вокруг себя, чтобы разрастись.

В нашей Галактике огромное количество чёрных дыр. Но никто не знает, сколько на самом деле. Пока что возможности их поиска ограничивались только активными, то есть теми, которые находятся в стадии активного поглощения вещества. Такие чёрные дыры, вопреки названию, наоборот очень яркие, точнее они имеют яркий «кокон» газа и плазмы, падающий на чёрную дыру. Особенно хорошо различим он в рентгеновском свете. И космические рентгеновские телескопы способны разглядеть этот «кокон». Для поиска самых малых чёрных дыр массой несколько масс Солнца учёные применили метод, который ранее использовался для поиска экзопланет — метод радиальных скоростей. Его суть в наблюдении спектра звезды и его отклонения в красную или синюю область, если звезда взаимодействует с массивным, но невидимым объектом на орбите. Такой метод позволяет обнаружить и малые чёрные дыры, которые обращаются вокруг более массивных звёзд, но не поглощают газ из них.

В начале ноября астрономы обнаружили вероятного кандидата в такую чёрную дыру звёздной массы. Объект расположен в созвездии Возничего, примерно в 10 000 световых лет от внешнего края толстого диска Млечного Пути, где содержатся преимущественно старые звёзды. Если подтвердится, что найденный объект — чёрная дыра, то она будет самой маленькой из известных. Её гравитационный радиус составляет всего около 19 километров. Более того, она станет первым объектом нового класса миниатюрных чёрных дыр, которые учёные даже не знали, как искать.

Когда астрономы ищут чёрную дыру, на самом деле они хотят обнаружить явные признаки её существования. Например, аккреционный диск — он состоит из газа и пыли, которые вращаются и попадают из его внешней части в более плотную внутреннюю область. Падая по спирали в чёрную дыру, вещество нагревается и испускает рентгеновское излучение. По этому следу были обнаружены многие известные чёрные дыры.

В этом исследовании астрономов интересовали двойные звёздные системы, в которых один из объектов для нас кажется невидимым при наблюдениях. Для этого они изучили каталог из ста тысяч звёзд, расположенных во внутренней части галактики, который был создан в рамках проекта APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment). Из наблюдений отбирались те, в которых присутствуют колебания скорости видимого компонента и его значительное ускорение (метод радиальных скоростей, или доплеровский сдвиг). После фильтрации данных, из 200 попавших под критерии источников, осталась одна звезда-гигант J05215658 в двойной звёздной системе. По приблизительным оценкам, масса этой звезды составляет 3,2 массы Солнца, она относится к красным гигантам, а масса её компаньона — около 3,3 массы Солнца.

По массовому значению компактный объект (компаньон звезды) попадает в диапазон масс между нейтронными звёздами и чёрными дырами. Он превосходит по массе как все открытые нейтронные звёзды (среди открытых нейтронных звёзд максимальная масса составляет 2,14 массы Солнца), так и теоретические прогнозы их максимальной массы (приблизительно 2,5 массы Солнца). Однако нельзя однозначно отнести этот объект и к чёрным дырам — из известных чёрных дыр самая маленькая имеет массу 5 масс Солнца, а некоторые модели образования чёрных дыр предсказывают нижний предел массы, равный четырём солнечным. Наблюдения показали, что компактный объект не излучает ни в каких диапазонах, включая рентгеновский, что позволило считать, что он представляет собой чёрную дыру, которая в настоящее время не активна, то есть не поглощает вещество. По другой версии, невидимым компаньоном может оказаться не один объект, а несколько неактивных чёрных дыр.

Когда звёзды достигают финальной стадии жизни, происходит один из сценариев: образование белого карлика, нейтронной звёзды или чёрной дыры. Верхний предел массы звезды, итогом жизни которой станет образование белого карлика, составляет около 10 масс Солнца. Предел Оппенгеймера-Волкова теоретически ограничивает максимальную массу нейтронной звезды, которая образуется из массивных звёзд. Однако пока что остаётся неясным диапазон массы между нейтронными звёздами и чёрными дырами. Для понимания закономерностей астрономам необходимо накопить как можно больше данных о массах нейтронных звёзд и чёрных дыр. Пока что эта информация, за редкими исключениями, имеется только для двойных пульсаров и двойных звёздных систем. Эти системы были обнаружены в ходе наблюдений в радио, рентгеновском или гамма-диапазоне. Другие методы, например, гравитационное микролинзирование или регистрация гравитационных волн от слияния двойных чёрных дыр и нейтронных звёзд, могут помочь установить массы неактивных компаньонов в двойных системах. Но эти методы не подходят для наблюдения одиночных объектов.

Существование пар, в которых один из компонентов — неактивная чёрная дыра, обсуждалось десятилетиями, но до сих пор не подтверждено (единственный известный кандидат был сформирован в в среде звёздного скопления* и не похож на типичные двойные системы). Обнаружение и создание выборки из двойных звёздных систем с чёрной дырой или нейтронной звездой в составе может стать основой для создания моделей эволюции подобных объектов. А если подтвердится, что в системе J05215658 один из объектов — неактивная чёрная дыра, то дальнейшее изучение может помочь сузить диапазон масс и выяснить факторы, которые определяют загробную жизнь звезды.

* Двойная система была обнаружена в 2018 году в шаровом скоплении NGC 3201 в созвездии Паруса, расстояние до которого составляет около 17 тысяч световых лет. Это первая двойная система с неактивной чёрной дырой, существование которой было подтверждено после многолетних дебатов.

Источник: www.technologyr…, science.science…,
* science.science…

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *