Де всі крихітні чорні діри?

Відкриття небесного "єдинорога", який має лише тендітні 2,9 сонячні маси, може допомогти розкрити таємницю, яка давно бентежила астрономів.

Про це розповідають в Університеті штату Огайо.

Майже десятиріччя тому астрофізик з Університету Арізони Феріал Озель та її колеги помітили дещо дивне. Хоча в нашій галактиці було виявлено різноманіття чорних дір, та розмір жодної, здавалося, не опускався нижче певної межі. "Схоже, що не вистачає чорних дір нижче п′яти сонячних мас", - каже вона. "Статистично, це було дуже важливо".

Після того, як Озель у 2010 році опублікувала статтю про цю проблему, ця так звана масова прогалина залишилася незрозумілою. Навіть після того, як гравітаційні хвильові детектори LIGO та Virgo почали виявляти десятки прихованих чорних дір -- у тому числі кілька несподіванок -- масова прогалина, схоже що, міцно трималася.

З часом такі астрофізики, як Озель, почали замислюватися: чи маленькі чорні діри просто важко знайти, або їх взагалі може не існувати? "Важливо встановити спостережливо, чи справді ця прогалина реальна, чи це спостережний артефакт", - говорить Вікі Калогера, астрофізик з Північно-Західного університету та провідний член команди LIGO.

Останні відкриття починають наводити на думку, що другий варіант може бути вірним. За минулі два роки дослідники виявили кілька можливих чорних дір у масовій прогалині. Потім, на початку цього місяця, астрономи представили докази того, що може бути найкращим кандидатом на даний момент: об′єкт у 2,9 сонячних мас, який отримав назву "єдиноріг".

До LIGO астрономи знаходили чорні діри здебільшого шляхом пошуку рентгенівських променів, які вони виробляють, висмоктуючи речовину з сусідньої зірки. Астрономи також могли виявити гравітаційний ефект, який мала б чорна діра на іншу зірку в бінарній системі. Дослідники єдинорога застосували цей останній метод, зосередившись на системі під назвою "V723 Monoceros", розташованій приблизно за 1000 світлових років від нас. Вони вивчали рух зірки-червоного гіганта за допомогою різноманітних телескопів, зокрема супутника Gaia Європейського космічного агентства, який картографує положення мільярдів зірок у нашій галактиці, та Супутника спостереження за транзитами екзопланет (TESS) від НАСА.

Дослідники дійшли висновку, що червоний гігант, схоже що, танцює з невидимим партнером. Команда написала: "Найпростіше пояснення темного компаньйона - один компактний об′єкт, швидше за все, чорна діра, в "масовій прогалині".

Якщо це відкриття буде підтверджене, це допоможе висвітлити тонку відмінність, яку природа надає масивній зірці наприкінці її життя. Коли гігантська зірка вичерпує своє паливо, маса зірки спадає всередину і її ядро руйнується. Якщо маса, що надходить, може вибухнути і подолати гравітаційну силу зірки, вона спалахує надновою. Але якщо ні -- якщо просто занадто багато маси -- зірка руйнується в собе й утворює чорну діру.

"Це гонка між вибухом і утворенням чорних дір", - говорить Тод Томпсон, астрофізик-теоретик з Університету штату Огайо і співавтор нещодавньої роботи. "Цю гонку потрібно виграти приблизно за секунду. Якщо за одну секунду вона не вибухне, тоді утворюється чорна діра. Якщо вона все-таки вибухне, вона залишить за собою нейтронну зірку".

Новини за подібною темою:

		Астрономи зафіксували спалах у 10 трильйонів сонць від далекої чорної діри
		Астрофізики виявили свідчення ієрархічності злиттів чорних дір
		Астрономи виявили чорну діру, що розриває зорю, знаходячись поза галактичним центром

Що саме визначає, чи вибухне зірка як наднова, чи колапсує в чорну діру, незрозуміло. "Реальна фізика вибуху наднової надзвичайно невідома", - говорить Томпсон. Масова прогалина чорних дір "може бути суттєво важливим ключем у розумінні цього процесу".

До сих пір було зроблено кілька попередніх відкриттів у масовій прогалині. Бенджамін Гізерс з Університету Геттінгена в Німеччині та його колеги виявили можливу чорну діру в 4,4 сонячних мас у 2018 році, тоді як Томпсон та його колеги знайшли кандидата в 3,3 сонячних мас у 2019 році.

Потім, у минулому році, вчені з LIGO оголосили про виявлення об’єкта, що в 2,6 рази перевищує масу нашого Сонця -- дуже дражливого кандидата, який має масу, комфортну для масової прогалини. "Найкращий випадок для чорної діри масової прогалини від LIGO", - каже Томпсон.

Однак при цих нижчих масах важко відрізнити чорну діру від нейтронної зірки, оскільки остання може доходити до теоретичного максимуму у 3 маси Сонця. І залежно від умов, нейтронні зірки також можуть здаватися темними. "Якщо нейтронна зірка - це пульсар із спрямованим на вас промінем, це дуже очевидна річ", - говорить Том Маккарон, експерт з чорних дір і нейтронних зірок з Техаського університету. "Але якщо це не так, - додає він, - дуже важко відрізнити від чорної діри".

Таким чином, відкриття чорних дір, такі як нещодавнє від LIGO, досі не підтверджені, як і єдиноріг. "Це виглядає правдоподібно", - каже Йозель. "Я думаю, що їх методи обґрунтовані, а аналіз ретельний. Існує ще кілька інших можливостей щодо того, чим це може бути, але висновок, до якого вони прийшли -- що це, швидше за все, одиночний темний об’єкт масою 2,9 сонячних мас -- здається мені обґрунтованим".

Не всі так впевнені. З одного боку, можливо, що ця конкретна система є не бінарною системою, а потрійною, з двома меншими об’єктами, що враховують відсутність маси. Маккарон також зазначає, що якщо єдиноріг -- це чорна діра, він повинен відтягувати речовину від зірки-супутника і створювати рентгенівські промені. "Рентгенівська світність є дуже слабкою для сценарію з чорною дірою", - каже він.

Існує також невизначеність щодо маси самого об’єкта. Хоча найкраща оцінка -- 2,9 сонячних мас, автори стверджують, що він може важити як лише 2,6 і як 3,6 сонячних мас. "Цей діапазон занадто широкий для нас, щоб бути впевненим, що це [не] нейтронна зірка", - говорить Калогера. "І в спостереженнях немає нічого іншого, що дозволяє відрізнити нейтронну зірку від чорної діри".

Якщо це відкриття виявиться не чорною дірою -- і особливо якщо інші кандидати також не витримають перевірку, -- можливо, чорні діри просто не утворюються нижче 5 сонячних мас. Таке відкриття мало б значні наслідки для нашого розуміння фізики наднової. "Якщо у вас справді є прогалина, це говорить про дуже швидкий механізм вибуху", - говорить Маккарон. "Ми не розуміємо, що рухає вибухами наднової настільки добре, щоб мати сильне теоретичне упередження щодо того, чого очікувати".

Але якщо єдиноріг є насправді чорною дірою, він може бути одним із багатьох у цій прогалині, що очікують на відкриття та вивчення. "Ось що захоплює у цій роботі", - каже Йозель. "Якщо ми дійдемо до точки, коли ми знаємо більше одного або двох з цих об′єктів, то ми зможемо зрозуміти, які типи процесів ведуть до цих чорних дір меншої маси".

Читайте ще цікаві новини про космос.

• Чорні діри