В нашей галактике найден таинственный объект, который может быть самой легкой черной дырой, или самой тяжелой нейтронной звездой

С помощью радиотелескопа MeerKAT астрономы обнаружили новый неизвестный объект в Млечном Пути, который тяжелее самых тяжелых известных нейтронных звезд и одновременно легче самых легких известных черных дыр.

Об открытии рассказывают в Манчестерском университете (Англия) и в Обществе им. Макса Планка (Германия), передают OstanniPodii.com.

Этот неизвестный объект обнаружен на орбите вокруг быстро вращающегося миллисекундного пульсара, который находится в южном созвездии Голубя на расстоянии около 40 000 световых лет от нас в плотном звездном скоплении, известном как шаровое скопление.

Используя часовые тики миллисекундного пульсара, исследователи показали, что массивный объект лежит в так называемом "пробеле масс черных дыр".

Это может стать первым открытием долгожданного бинарного радиопульсара-черной дыры; звездной пары, которая может позволить провести новые тесты общей теории относительности Эйнштейна и открыть дверь к изучению черных дыр.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

"Любая возможность относительно природы компаньона является захватывающей. Система пульсар-черная дыра станет важной мишенью для тестирования теорий гравитации, а тяжелая нейтронная звезда даст новые знания о ядерной физике при очень высоких плотностях", - сказал Бен Стапперс, профессор астрофизики Манчестерского университета.

"Чем бы ни был этот объект, это отличная новость", - говорит Пауло Фрейре из Института радиоастрономии имени Макса Планка. "Если это черная дыра, то это будет первая известная система пульсар — черная дыра, которая была Святым Граалем пульсарной астрономии в течение десятилетий! Если это нейтронная звезда, это будет иметь фундаментальные последствия для нашего понимания неизвестного состояния материи при таких невероятных плотностях!"

Пробел масс черных дыр

Когда нейтронная звезда — сверхплотный остаток мертвой звезды — приобретает слишком большую массу, обычно поглощая или сталкиваясь с другой звездой, то она коллапсирует. То, во что они превращаются после коллапса, вызывает много спекуляций, но считается, что они могут стать черными дырами — объектами, настолько гравитационно привлекательными, что даже свет не может вырваться из них.

Астрономы считают, что общая масса, необходимая для коллапса нейтронной звезды, в 2,2 раза превышает массу Солнца. Теория, подкрепленная наблюдениями, говорит нам, что самые легкие черные дыры, созданные этими звездами, намного больше, примерно в 5 раз массивнее Солнца, что приводит к возникновению так называемого "пробела масс черных дыр".

Природа компактных объектов в этом промежутке неизвестна, а их детальное изучение пока является сложной задачей. Открытие может помочь окончательно понять эти объекты.

Открытие было сделано во время наблюдения за большим скоплением звезд, известным как NGC 1851, с помощью телескопа MeerKAT в Южной Африке.

MeerKAT. Credit: Daniëlle Futselaar (artsource.nl)

Шаровое скопление NGC 1851 — это плотное скопление старых звезд, которые гораздо плотнее упакованы, чем звезды в остальной части галактики. Здесь настолько тесно, что звезды могут взаимодействовать друг с другом, нарушая орбиты и в самых экстремальных случаях сталкиваясь.

Астрономы считают, что именно такое столкновение между двумя нейтронными звездами создало массивный объект, который сейчас вращается возле радиопульсара.

Таинственный компаньон радиопульсара

Команда смогла обнаружить слабые импульсы от одной из звезд, идентифицировав её как радиопульсар — тип нейтронной звезды, которая быстро вращается и излучает пучки радиосвета во вселенную, как космический маяк.

Этот пульсар под названием PSR J0514-4002E вращается вокруг собственной оси более 170 раз в секунду и так же часто достигает Земли своим радиоизлучением. С каждым оборотом радиотелескоп регистрирует импульс, похожий на тиканье часов. Так называемый радиопульсар тикает чрезвычайно регулярно.

Исследователи использовали небольшие отклонения или различия в скорости этих часов, чтобы сделать выводы о компаньоне, который вращается вокруг общего центра тяжести вместе с пульсаром как часть бинарной системы. Эффект Доплера заставляет радиочастоту пульсара меняться вследствие его орбитального движения, подобно частоте сирены пожарной машины, проезжающей мимо наблюдателя. Это также позволило определить орбиту пульсара вокруг загадочного объекта.

"Представьте себе, что вы можете сбросить почти идеальный секундомер на орбиту вокруг звезды, удаленной от нас почти на 40 000 световых лет, а затем измерить время на этой орбите с точностью до микросекунды", - говорит Юэн Барр из Института радиоастрономии имени Макса Планка.

Ситуация менее понятна, когда речь идет об объекте-компаньоне, который вращается вокруг пульсара.

"Когда мы смотрели на изображения NGC 1851, сделанные "Хабблом", мы ничего не увидели в этой позиции", - объясняет Праджвал Вораганти Падманабх из Института гравитационной физики имени Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна) в Ганновере. "Следовательно, объект на орбите пульсара — это не обычная звезда, а чрезвычайно плотный остаток коллапсировавшей звезды".

Если бы это также была звезда, она, как и Солнце, излучала бы звездный ветер, через который конус радиоизлучения пульсара должен был бы пройти, прежде чем радиотелескоп получит сигнал. В этом случае звездный ветер имел бы характерное влияние на частоты радиосигнала. Однако в радиоданных нет никаких признаков такого влияния. Все указывает на то, что загадочный объект является чрезвычайно плотным остатком коллапсировавшей звезды: черной дырой или другой нейтронной звездой, которая не испускает радиоизлучение.

Астрономы не только вывели орбиту по результатам измерений разницы частот пульсара, но и сузили массу второго объекта до 2,09-2,71 массы Солнца. Это означает, что компаньон может быть тяжелее самых тяжелых известных нейтронных звезд и одновременно легче самых легких известных черных дыр. Итак, компактный объект-компаньон, который исследователи обнаружили с помощью радиопульсара, попадает именно в так называемый пробел масс черных дыр. Почему до сих пор не найдено ни одного другого компактного объекта массой от двух до пяти масс Солнца, остается непонятным.

Хотя команда не может с уверенностью сказать, открыли ли они самую массивную из известных нейтронных звезд, самую легкую из известных черных дыр или даже какой-то новый экзотический вариант звезды, несомненным является то, что они открыли уникальную лабораторию для исследования свойств материи в самых экстремальных условиях Вселенной.

"Мы еще не закончили с этой системой", - говорит Арунима Дутта из Института радиоастрономии имени Макса Планка. "Раскрытие истинной природы компаньона станет поворотным моментом в нашем понимании нейтронных звезд, черных дыр и всего остального, что может скрываться в пробеле масс черных дыр!"

Как могла образоваться система?

© Thomas Tauris (Aalborg University / MPIfR)

Команда предполагает, что обнаруженная система является результатом довольно экзотической истории формирования, возможной лишь благодаря особой локальной среде. Система находится в шаровом скоплении NGC 1851, плотном скоплении старых звезд, которые гораздо плотнее упакованы, чем звезды в остальной части Млечного Пути. Здесь настолько тесно, что звезды могут взаимодействовать друг с другом, нарушая орбиты и в самых экстремальных случаях сталкиваясь. Именно одно из таких столкновений между двумя нейтронными звездами, как предполагают ученые, создало массивный объект, который сейчас вращается вокруг радиопульсара.

В левой части рисунка показано, как мог образоваться миллисекундный пульсар (MSP), PSR J0514-4002E. Вещество от сжимающейся звезды вытекает на поверхность нейтронной звезды. Это также передает нейтронной звезде угловой момент, который ускоряет вращение нейтронной звезды вокруг собственной оси. В результате быстро вращаются пульсар и белый карлик на орбите друг друга — типичная конфигурация, которая наблюдается во всей галактике.

Правая часть изображения показывает, как мог образоваться загадочный объект на орбите радиопульсара. Две нейтронные звезды на орбите (NS + NS) излучают гравитационные волны, в результате чего система теряет энергию, а орбита со временем сжимается. Это в конечном итоге приводит к взрывному слиянию нейтронных звезд. Результатом слияния является изолированная черная дыра (BH) малой массы или, возможно, сверхмассивная нейтронная звезда. Позже образованный объект встречается с бинаром, который состоит из пульсара и белого карлика, в результате чего происходит обменное столкновение, в котором самая легкая из трех звезд (в данном случае белый карлик) выталкивается с орбиты. В результате образуется стабильная система пульсар - черная дыра (или нейтронная звезда).

OstanniPodii.com