Виявлено найближчу до Землі чорну діру

Астрономи виявили найближчу до Землі чорну діру, до того ж вона — перша виявлена спляча чорна діра зоряної маси в Чумацькому Шляху. Вона знаходиться в бінарній системі, яка з тяжкістю вкладається в стандартні моделі еволюції бінарів.

Про це розповідають в Національній дослідницькій лабораторії оптико-інфрачервоної астрономії (NOIRLab) Національного наукового фонду (NSF) США, передають OstanniPodii.com.

Чорні діри — найекстремальніші об'єкти у Всесвіті. Як вважається, надмасивні версії цих неймовірно щільних об'єктів знаходяться у центрах усіх великих галактик. Чорні діри із зоряною масою — маса яких приблизно у п'ять-сто разів перевищує масу Сонця — зустрічаються набагато частіше: тільки в Чумацькому Шляху їх може бути близько 100 мільйонів. Однак на сьогодні підтверджено існування лише кількох з них, і майже всі вони є "активними" — це означає, що вони яскраво світяться в рентгенівських променях, оскільки споживають матеріал від прилеглого зоряного компаньйона, на відміну від "сплячих" чорних дір, які цього не роблять.

Астрономи за допомогою телескопа “Джеміні-Північ” на Гаваях, одного з телескопів-близнюків Міжнародної обсерваторії Джеміні, керованої NOIRLab, виявили найближчу до Землі чорну діру, яку дослідники охрестили Gaia BH1. Ця спляча чорна діра приблизно у 10 разів масивніша за Сонце та перебуває на відстані близько 1600 світлових років від нас у сузір'ї Змієносця, що робить її втричі ближчою до Землі, ніж попередній рекордсмен — рентгенівський бінар в сузір'ї Єдинорога.

Нове відкриття стало можливим завдяки ретельним спостереженням за рухом компаньйона чорної діри — сонцеподібної зірки, яка обертається навколо чорної діри на такій самій відстані, на якій Земля обертається навколо Сонця.

“Візьміть Сонячну систему, помістіть чорну діру туди, де розміщене Сонце, а Сонце - туди, де розміщена Земля, і ви отримаєте цю систему”, - пояснив Карім Ель-Бадрі, астрофізик з Гарвард-Смітсонівського Центру астрофізики та Інституту астрономії Макса Планка, провідний автор статті, в якій описане це відкриття. “Хоча було багато заяв про виявлення подібних систем, майже всі ті відкриття згодом були спростовані. Це перше однозначне виявлення зірки, подібної до Сонця, на широкій орбіті навколо чорної діри із зоряною масою в нашій галактиці”.

Хоча в галактиці Чумацький Шлях, ймовірно, бродять мільйони чорних дір із зоряною масою, тих небагатьох, яких було виявлено, було відкрито завдяки їхній енергійній взаємодії із зіркою-компаньйоном. Коли матеріал від прилеглої зірки по спіралі наближається до чорної діри, він перегрівається й генерує потужне рентгенівське випромінювання та джети речовини. Якщо чорна діра не живиться активно (тобто перебуває в стані спокою), вона просто зливається з оточенням.  

“Останні чотири роки я займаюся пошуком сплячих чорних дір, використовуючи широкий спектр даних і методів”, - розповідає Ель-Бадрі. “Мої попередні спроби — як і спроби інших — призвели до появи цілого звіринця бінарних систем, що маскуються під чорні діри, але це перший випадок, коли пошуки принесли плоди”.

Команда спочатку визначила, що в системі може перебувати чорна діра, проаналізувавши дані космічного апарату Gaia від Європейського космічного агентства. Gaia зафіксував найдрібніші порушення в русі зірки, викликані гравітацією невидимого масивного об'єкта. Для детальнішого вивчення системи Ель-Бадрі та його команда звернулися до приладу Багатооб’єктний спектрограф Джеміні на "Джеміні-Північ", який виміряв швидкість руху зірки-компаньйона по орбіті навколо чорної діри та забезпечив точне вимірювання її орбітального періоду. Подальші спостереження "Джеміні" зіграли вирішальну роль у визначенні орбітального руху та, отже, мас двох компонентів бінарної системи, що дало змогу команді ідентифікувати центральне тіло як чорну діру, приблизно у 10 разів масивнішу, ніж наше Сонце.

“Наші подальші спостереження на "Джеміні" підтвердили, поза всякими сумнівами, що бінарна система містить нормальну зірку та принаймні одну сплячу чорну діру”, - уточнив Ель-Бадрі. “Ми не змогли знайти жодного правдоподібного астрофізичного сценарію, який міг би пояснити спостережувану орбіту системи без участі хоча б однієї чорної діри”.

Команда покладалася не тільки на чудові спостережні можливості "Джеміні-Північ", а й на здатність "Джеміні" надати дані в стислі строки, оскільки у команди було лише коротке вікно для проведення подальших спостережень.

“Коли у нас з'явилися перші ознаки того, що система містить чорну діру, у нас був лише один тиждень до того, як два об'єкти опиняться на найближчій відстані один від одного на своїх орбітах. Вимірювання в цей момент необхідні для точних оцінок маси в бінарній системі”, - сказав Ель-Бадрі. “Здатність "Джеміні" забезпечити спостереження у короткі терміни була критично важливою для успіху проєкту. Якби ми пропустили це вузьке вікно, нам довелося б чекати ще рік”.

Сучасні моделі еволюції бінарних систем, які використовують астрономи, насилу пояснюють, як могла виникнути особлива конфігурація системи Gaia BH1. Зокрема, зірка-прародителька, яка пізніше перетворилася на нещодавно виявлену чорну діру, мала бути щонайменше у 20 разів масивнішою за наше Сонце.

Це означає, що вона прожила б лише кілька мільйонів років. Якби обидві зірки утворилися одночасно, то ця масивна зірка швидко перетворилася б на надгіганта, роздулася б і поглинула іншу зірку, перш ніж та встигла б стати правильною зіркою головної послідовності, що спалює водень, як наше Сонце.

Абсолютно незрозуміло, як зірка з сонячною масою могла пережити цей епізод, ставши у підсумку звичайною зіркою, як показують спостереження за бінарною чорною дірою. Теоретичні моделі, які припускають можливість виживання, пророкують, що зоря сонячної маси повинна була опинитися на набагато вужчій орбіті, ніж та, що спостерігається насправді.

Це може свідчити про наявність важливих прогалин у нашому розумінні того, як чорні діри формуються та еволюціонують у бінарних системах, а також припускає існування ще не вивченої популяції сплячих чорних дір у бінарних системах.

“Цікаво, що ця система нелегко вкладається в стандартні моделі еволюції бінарних систем”, - підсумував Ель-Бадрі. “Це ставить багато запитань про те, як утворилася ця бінарна система, а також про те, скільки таких сплячих чорних дір існує”.

“Як частина мережі космічних і наземних обсерваторій, "Джеміні-Північ" не тільки надав переконливі докази існування найближчої до нас чорної діри, а й першу недоторкану систему чорних дір, що не затьмарена звичайним гарячим газом, який взаємодіє з чорною дірою”, - сказав керівник програми "Джеміні" в NSF Мартін Стілл.

“Хоча це потенційно віщує майбутні відкриття передбаченої популяції сплячих чорних дір у нашій галактиці, спостереження також залишають загадку, яку ще належить розв'язати — попри спільну історію зі своїм екзотичним сусідом, чому зоря-компаньйон у цій бінарній системі така звичайна?”.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.