Вчені можливо відкрили новий клас чорних дір

Чорні діри є важливою частиною розуміння астрофізиками Всесвіту – вони настільки важливі, що вчені намагалися провести перепис всіх чорних дір в Чумацькому Шляху. Нове дослідження показує, що їхні пошуки могли пропустити цілий клас чорних дір, про які вони не здогадувалися.

У дослідженні, опублікованому 31 жовтня в журналі Science, астрономи пропонують новий спосіб пошуку чорних дір і показують, що можливо існує клас чорних дір, менших, ніж найменші з відомих у Всесвіті, розповідають в Огайському державному університеті, США.

«Ми демонструємо цей натяк на те, що існує інша популяція, яку нам ще належить дослідити під час пошуків чорних дір», - каже Тодд Томпсон, професор астрономії у вказаному виші і провідний автор дослідження. «Люди намагаються розібратися у вибухах наднових, як вибухають надмасивні чорні зірки, як були утворені елементи в надмасивних зірках. Отже, якби ми змогли виявити нову популяцію чорних дір, вона розповіла б нам більше про те, які зірки вибухають, а які ні; які утворюють чорні діри, а які утворюють нейтронні зірки. Це відкриває нову область дослідження.»

Уявіть собі перепис міста, при якому б рахувалися лише люди зростом 180 сантиметрів і вище - і уявіть, що переписувачі навіть не знали б, що існують люди, менші за 180 см. Дані з цього перепису були б неповними, що дало б неточну картину населення. Це, по суті, те, що відбувається в пошуках чорних дір, відмітив Томпсон.

Астрономи давно у пошуках чорних дір, гравітаційне тяжіння у яких настільки сильне, що нічого – ні матерія, ні випромінювання - не може вирватися. Чорні діри утворюються, коли деякі зірки гинуть, стискаються в собі і вибухають. Астрономи також у пошуках нейтронних зірок - маленьких щільних зірок, які утворюються, коли деякі зірки гинуть і руйнуються.

Обидві можуть містити цікаву інформацію про елементи на Землі та про те, як живуть і вмирають зірки. Але для того, щоб розкрити цю інформацію, астрономи спочатку повинні з’ясувати, де знаходяться чорні діри. А щоб розібратися, де чорні діри, вони повинні знати, що шукають.

Одна підказка: чорні діри часто існують у так званих бінарних системах. Це просто означає, що дві зірки достатньо близькі одна до одної, щоб бути замкнутими гравітацією на взаємній орбіті навколо одна одної. Коли одна з цих зірок помирає, інша може залишитися, все ще обертаючись навколо простору, де колись жила мертва зірка, яка стала чорною дірою або нейтронною зіркою.

Протягом багатьох років чорні діри, про які знали вчені, були приблизно в 5 та 15 разів більшими за масу Сонця. Відомі нейтронні зірки, зазвичай, не перевищують 2,1 маси Сонця - якби вони мали масу в 2,5 більшу за сонячну, вони б колапсували до чорної діри.

Але влітку 2017 року огляд під назвою LIGO - Лазерна інтерферометрова гравітаційно-хвильова обсерваторія - побачив дві чорні діри, що зливаються, у галактиці на відстані приблизно за 1,8 мільйонів світлових років. Одна з цих чорних дір була масою приблизно в 31 раз більше сонячної; інша - приблизно в 25 разів перевищувала масу Сонця.

«Відразу ж, всі були "Вау", тому що це було настільки захоплюючим, - каже Томпсон. - Не тільки тому, що це довело, що LIGO працює, а тому, що маси були величезними. Чорні діри такого розміру дуже важливі - ми їх раніше не бачили (йдеться про чорні діри зоряних мас, а не про надмасивні чорні діри, - ред.).»

Томпсон та інші астрофізики давно підозрювали, що чорні діри можуть бути розмірами поза відомим діапазоном, і відкриття LIGO довело, що чорні діри можуть бути більшими. Але між розмірами найбільших нейтронних зірок і найменших чорних дір залишався проміжок.

Томпсон вирішив глянути, чи зможе він розгадати цю таємницю.

Він та інші вчені почали прочісувати дані APOGEE (Експеримент з галактичної еволюції Обсерваторії Апачі-Пойнт), який зібрав спектри світла приблизно від 100 000 зірок по Чумацькому Шляху. Томпсон зрозумів, що спектри покажуть, чи може зірка обертатися навколо іншого об′єкта: зміни в спектрах – наприклад, зсув в сторону більш синіх довжин хвиль, з послідуючим переходом до більш червоних довжин хвиль – може показати, що зірка оберталася навколо небаченого супутника.

Томпсон почав прочісувати дані у пошуках зірок, які показали цю зміну, вказуючи на те, що вони можуть обертатися навколо чорної діри.

Потім він звузив дані APOGEE до 200 зірок, які можуть бути найцікавішими. Він передав дані науковому співробітнику університету, Тхарінді Джасінгхе, і той зібрав тисячі зображень кожної потенційної бінарної системи з ASAS-SN (Автоматизований огляд наднових у всьому небі), який виявив близько 1000 наднових.

Їхнє перемелювання даних виявило гігантську червону зірку, яка, очевидно, оберталася навколо чогось, але це щось, згідно з їхніми розрахунками, було набагато меншим, ніж відомі чорні діри в Чумацькому Шляху, але набагато більшим, ніж більшість відомих нейтронних зірок.

Після додаткових обчислень та додаткових даних зі спектрографа Echelle від Tillinghast та супутника Gaia вони зрозуміли, що знайшли чорну діру низької маси, ймовірно, приблизно в 3,3 рази більше маси Сонця.

«Те, що ми зробили – це новий спосіб пошуку чорних дір, але ми також потенційно визначили одну з перших у новому класі чорних дір низької маси, про яку астрономи раніше не знали. - каже Томпсон. - Маси речей говорять нам про їх утворення та еволюцію, і вони розповідають нам про свою природу.»

Читайте ще цікаві новини про космос.