В нашій галактиці знайдено таємничий об′єкт, який може бути найлегшою чорною дірою, або найважчою нейтронною зорею

За допомогою радіотелескопа MeerKAT астрономи виявили новий невідомий об′єкт у Чумацькому Шляху, який важчий за найважчі відомі нейтронні зорі та водночас легший за найлегші відомі чорні діри.

Про відкриття розповідають в Манчестерському університеті (Англія) та в Товаристві ім. Макса Планка (Німеччина), передають OstanniPodii.com.

Цей невідомий об′єкт виявлено на орбіті навколо мілісекундного пульсара, що швидко обертається й знаходиться у південному сузір′ї Голуба на відстані близько 40 000 світлових років від нас у щільному зоряному скупченні, відомому як кулясте скупчення.

Використовуючи годинникові тики мілісекундного пульсара, дослідники показали, що масивний об′єкт лежить у так званій "прогалині мас чорних дір".

Це може стати першим відкриттям довгоочікуваного бінарного радіопульсара-чорної діри; зоряної пари, яка може дозволити провести нові тести загальної теорії відносності Ейнштейна й відкрити двері до вивчення чорних дір.

Результати дослідження опубліковані в журналі Science.

"Будь-яка можливість щодо природи компаньйона є захопливою. Система пульсар-чорна діра стане важливою мішенню для тестування теорій гравітації, а важка нейтронна зоря дасть нові знання про ядерну фізику при дуже високих густинах", - сказав Бен Стапперс, професор астрофізики Манчестерського університету.

"Чим би не був цей об′єкт, це чудова новина", - каже Пауло Фрейре з Інституту радіоастрономії імені Макса Планка. "Якщо це чорна діра, то це буде перша відома система пульсар — чорна діра, яка була Святим Граалем пульсарної астрономії протягом десятиліть! Якщо це нейтронна зоря, це матиме фундаментальні наслідки для нашого розуміння невідомого стану матерії при таких неймовірних густинах!"

Прогалина мас чорних дір

Коли нейтронна зоря — надщільний залишок мертвої зорі — набуває занадто великої маси, зазвичай поглинаючи або зіштовхуючись з іншою зорею, то вона колапсує. Те, на що вони перетворюються після колапсу, викликає багато спекуляцій, але вважається, що вони можуть стати чорними дірами — об′єктами, настільки гравітаційно привабливими, що навіть світло не може вирватися з них.

Астрономи вважають, що загальна маса, необхідна для колапсу нейтронної зорі, у 2,2 раза перевищує масу Сонця. Теорія, підкріплена спостереженнями, говорить нам, що найлегші чорні діри, створені цими зорями, набагато більші, приблизно у 5 разів масивніші за Сонце, що призводить до виникнення так званої "прогалини мас чорних дір".

Природа компактних об′єктів у цьому проміжку невідома, а їхнє детальне вивчення поки що є складним завданням. Відкриття може допомогти остаточно зрозуміти ці об′єкти.

Відкриття було зроблено під час спостереження за великим скупченням зір, відомим як NGC 1851, за допомогою телескопа MeerKAT у Південній Африці.

MeerKAT. Credit: Daniëlle Futselaar (artsource.nl)

Кулясте скупчення NGC 1851 — це щільне скупчення старих зір, які набагато щільніше упаковані, ніж зорі в решті частині галактики. Тут настільки тісно, що зорі можуть взаємодіяти одна з одною, порушуючи орбіти та в найекстремальніших випадках зіштовхуючись.

Астрономи вважають, що саме таке зіткнення між двома нейтронними зорями створило масивний об′єкт, який зараз обертається біля радіопульсара.

Таємничий компаньйон радіопульсара

Команда змогла виявити слабкі імпульси від однієї із зір, ідентифікувавши її як радіопульсар — тип нейтронної зорі, яка швидко обертається та випромінює пучки радіосвітла у всесвіт, наче космічний маяк.

Цей пульсар під назвою PSR J0514-4002E обертається навколо власної осі понад 170 разів на секунду й так само часто досягає Землі своїм радіовипромінюванням. З кожним обертом радіотелескоп реєструє імпульс, схожий на цокання годинника. Так званий радіопульсар цокає надзвичайно регулярно.

Дослідники використовували невеликі відхилення або відмінності у швидкості цього годинника, щоб зробити висновки про компаньйона, який обертається навколо спільного центру тяжіння разом з пульсаром як частина бінарної системи. Ефект Доплера змушує радіочастоту пульсара змінюватися внаслідок його орбітального руху, подібно до частоти сирени пожежної машини, що проїжджає повз спостерігача. Це також дозволило визначити орбіту пульсара навколо загадкового об′єкта.

"Уявіть собі, що ви можете скинути майже ідеальний секундомір на орбіту навколо зорі, віддаленої від нас майже на 40 000 світлових років, а потім виміряти час на цій орбіті з точністю до мікросекунди", - говорить Юен Барр з Інституту радіоастрономії імені Макса Планка.

Ситуація менш зрозуміла, коли йдеться про об′єкт-компаньйон, який обертається навколо пульсара.

"Коли ми дивилися на зображення NGC 1851, зроблені "Хабблом", ми нічого не побачили в цій позиції", - пояснює Праджвал Вораганті Падманабх з Інституту гравітаційної фізики імені Макса Планка (Інститут Альберта Ейнштейна) в Ганновері. "Отже, об′єкт на орбіті пульсара — це не звичайна зоря, а надзвичайно щільний залишок зорі, що колапсувала".

Якби це також була зоря, вона, як і Сонце, випромінювала б зоряний вітер, через який конус радіовипромінювання пульсара повинен був би пройти, перш ніж радіотелескоп отримає сигнал. У цьому випадку зоряний вітер мав би характерний вплив на частоти радіосигналу. Однак у радіоданих немає жодних ознак такого впливу. Все вказує на те, що загадковий об′єкт є надзвичайно щільним залишком зорі, що колапсувала: чорною дірою або іншою нейтронною зорею, яка не випускає радіовипромінювання.

Астрономи не лише вивели орбіту за результатами вимірювань різниці частот пульсара, але й звузили масу другого об’єкта до 2,09–2,71 маси Сонця. Це означає, що компаньйон може бути важчим за найважчі відомі нейтронні зорі та водночас легшим за найлегші відомі чорні діри. Отже, компактний об′єкт-компаньйон, який дослідники виявили за допомогою радіопульсара, потрапляє саме в так звану прогалину мас чорних дір. Чому досі не знайдено жодного іншого компактного об′єкта масою від двох до п′яти мас Сонця, залишається незрозумілим.

Хоча команда не може з упевненістю сказати, чи відкрили вони наймасивнішу з відомих нейтронних зір, найлегшу з відомих чорних дір або навіть якийсь новий екзотичний варіант зорі, безсумнівним є те, що вони відкрили унікальну лабораторію для дослідження властивостей матерії в найекстремальніших умовах Всесвіту.

"Ми ще не закінчили з цією системою", - каже Аруніма Дутта з Інституту радіоастрономії імені Макса Планка. "Розкриття справжньої природи компаньйона стане поворотним моментом у нашому розумінні нейтронних зір, чорних дір і всього іншого, що може ховатися у прогалині мас чорних дір!"

Як могла утворитися система?

© Thomas Tauris (Aalborg University / MPIfR)

Команда припускає, що виявлена система є результатом досить екзотичної історії формування, можливої лише завдяки особливому локальному середовищу. Система знаходиться в кулястому скупченні NGC 1851, щільному скупченні старих зір, які набагато щільніше упаковані, ніж зорі в решті Чумацького Шляху. Тут настільки тісно, що зорі можуть взаємодіяти одна з одною, порушуючи орбіти та в найекстремальніших випадках зіштовхуючись. Саме одне з таких зіткнень між двома нейтронними зорями, як припускають вчені, створило масивний об′єкт, який зараз обертається навколо радіопульсара.

У лівій частині малюнка показано, як міг утворитися мілісекундний пульсар (MSP), PSR J0514-4002E. Речовина від зорі, що стискається, витікає на поверхню нейтронної зорі. Це також передає нейтронній зорі кутовий момент, який прискорює обертання нейтронної зорі навколо власної осі. В результаті швидко обертаються пульсар і білий карлик на орбіті один одного — типова конфігурація, яка спостерігається в усій галактиці.

Права частина зображення показує, як міг утворитися загадковий об′єкт на орбіті радіопульсара. Дві нейтронні зорі на орбіті (NS + NS) випромінюють гравітаційні хвилі, внаслідок чого система втрачає енергію, а орбіта з часом стискається. Це врешті-решт призводить до вибухового злиття нейтронних зір. Результатом злиття є ізольована чорна діра (BH) малої маси або, можливо, надмасивна нейтронна зоря. Пізніше утворений об′єкт зустрічається з бінаром, який складається з пульсара та білого карлика, унаслідок чого відбувається обмінне зіткнення, в якому найлегша з трьох зір (у цьому випадку білий карлик) виштовхується з орбіти. В результаті утворюється стабільна система пульсар - чорна діра (або нейтронна зоря).

OstanniPodii.com