Где все крохотные черные дыры?

Открытие небесного "единорога", имеющего лишь хрупкие 2,9 солнечные массы, может помочь раскрыть тайну, которая давно беспокоила астрономов.

Об этом рассказывают в Университете штата Огайо.

Почти десятилетие назад астрофизик из Университета Аризоны Фериал Озель и ее коллеги заметили нечто странное. Хотя в нашей галактике было обнаружено многообразие черных дыр, но размер ни одной, казалось, не опускался ниже определенного предела. "Похоже, что не хватает черных дыр ниже пяти солнечных масс", - говорит она. "Статистически, это было очень важно".

После того, как Озель в 2010 году опубликовала статью об этой проблеме, этот так называемый массовый пробел остался непонятным. Даже после того, как гравитационные волновые детекторы LIGO и Virgo стали выявлять десятки скрытых черных дыр -- в том числе несколько неожиданностей -- массовый пробел, похоже что, крепко держался.

Со временем такие астрофизики, как Озель, начали задумываться: или маленькие черные дыры просто трудно найти, или их вообще может не существовать? "Важно установить наблюдательно, действительно ли этот пробел реален, или это наблюдательный артефакт", - говорит Вики Калогера, астрофизик из Северо-Западного университета и ведущий член команды LIGO.

Последние открытия начинают наводить на мысль, что второй вариант может быть верным. За прошедшие два года исследователи обнаружили несколько возможных черных дыр в массовом пробеле. Затем, в начале этого месяца, астрономы представили доказательства того, что может быть лучшим кандидатом на данный момент: объект в 2,9 солнечных масс, который получил название "единорог".

До LIGO астрономы находили черные дыры в основном путем поиска рентгеновских лучей, которые они производят, высасывая вещество из соседней звезды. Астрономы также могли обнаружить гравитационный эффект, который должна оказывать черная дыра на другую звезду в бинарной системе. Исследователи единорога применили этот последний метод, сосредоточившись на системе под названием "V723 Monoceros", расположенной примерно за 1000 световых лет от нас. Они изучали движение звезды-красного гиганта с помощью различных телескопов, в частности спутника Gaia Европейского космического агентства, который картографирует положение миллиардов звезд в нашей галактике, и Спутника наблюдения за транзитами экзопланет (TESS) от НАСА.

Исследователи пришли к выводу, что красный гигант, похоже что, танцует с невидимым партнером. Команда написала: "Самое простое объяснение темного компаньона -- один компактный объект, скорее всего, черная дыра в "массовом пробеле".

Если это открытие будет подтверждено, это поможет осветить тонкое отличие, которое природа предоставляет массивной звезде в конце ее жизни. Когда гигантская звезда исчерпывает свое топливо, масса звезды истекает внутрь и ее ядро ​​разрушается. Если надходящая масса может взорваться и преодолеть гравитационную силу звезды, она вспыхивает сверхновой. Но если нет -- если просто слишком много массы -- звезда рушится в себя и образует черную дыру.

"Это гонка между взрывом и образованием черных дыр", - говорит Тод Томпсон, астрофизик-теоретик из Университета штата Огайо и соавтор недавней работы. "Это гонку нужно выиграть примерно за секунду. Если за одну секунду она не взорвется, тогда образуется черная дыра. Если она все-таки взорвется, она оставит за собой нейтронную звезду".

Что именно определяет, взорвется звезда как сверхновая, или коллапсирует в черную дыру, непонятно. "Реальная физика взрыва сверхновой чрезвычайно неизвестна", - говорит Томпсон. Массовый пробел черных дыр "может быть существенно важным ключом в понимании этого процесса".

До сих пор было сделано несколько предварительных открытий в массовом пробеле. Бенджамин Гизерс из Университета Геттингена в Германии и его коллеги обнаружили возможную черную дыру в 4,4 солнечных масс в 2018 году, тогда как Томпсон и его коллеги нашли кандидата в 3,3 солнечных масс в 2019 году.

Затем, в прошлом году, ученые из LIGO объявили об обнаружении объекта в 2,6 раза превышающий массу нашего Солнца -- очень раздражающий кандидат, который имеет массу, комфортную для массового пробела. "Лучший случай для черной дыры массового пробела от LIGO", - говорит Томпсон.

Однако при этих низких массах трудно отличить черную дыру от нейтронной звезды, поскольку последняя может доходить до теоретического максимума в 3 массы Солнца. И в зависимости от условий, нейтронные звезды также могут казаться темными. "Если нейтронная звезда - это пульсар с направленным на вас лучом, это очень очевидная вещь", - говорит Том Маккароне, эксперт по черным дырам и нейтронным звездам из Техасского университета. "Но если это не так, - добавляет он, - очень трудно отличить от черной дыры".

Таким образом, открытие черных дыр, такие как недавнее от LIGO, до сих пор не подтверждены, как и единорог. "Это выглядит правдоподобно", - говорит Йозель. "Я думаю, что их методы обоснованные, а анализ тщательный. Существует еще несколько других возможностей относительно того, чем это может быть, но вывод, к которому они пришли -- что это, скорее всего, одиночный темный объект массой 2, 9 солнечных масс -- кажется мне обоснованным".

Не все так уверены. С одной стороны, возможно, что эта конкретная система является не бинарной системой, а тройной, с двумя меньшими объектами, что учитывает отсутствие массы. Маккароне также отмечает, что если единорог -- это черная дыра, он должен оттягивать вещество от звезды-спутника и создавать рентгеновские лучи. "Рентгеновская светимость очень слаба доя сценария с черной дырой", - говорит он.

Существует также неопределенность по массе самого объекта. Хотя лучшая оценка -- 2,9 солнечных масс, авторы утверждают, что он может весить как только 2,6 и как 3,6 солнечных масс. "Этот диапазон слишком широкий для нас, чтобы быть уверенным, что это [не] нейтронная звезда", - говорит Калогера. "И в наблюдениях нет ничего другого, что позволяет отличить нейтронную звезду от черной дыры".

Если это открытие окажется не черной дырой -- и особенно если другие кандидаты также не выдержат проверку, -- возможно, черные дыры просто не образуются ниже 5 солнечных масс. Такое открытие должно иметь значительные последствия для нашего понимания физики сверхновой. "Если у вас действительно есть пробел, это говорит об очень быстром механизме взрыва", - говорит Маккароне. "Мы не понимаем, что движет взрывами сверхновой настолько хорошо, чтобы иметь сильное теоретическое предубеждение о том, чего ожидать".

Но если единорог является на самом деле черной дырой, он может быть одним из многих в этой прогалине, которые ожидают открытия и изучения. "Вот что захватывает в этой работе", - говорит Йозель. "Если мы дойдем до точки, когда мы знаем больше одного или двух из этих объектов, то мы сможем понять, какие типы процессов ведут к этим черным дырам меньшей массы".

Читайте еще интересные новости о космосе.