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".

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.