Где все крохотные черные дыры?

Открытие небесного "единорога", имеющего лишь хрупкие 2,9 солнечные массы, может помочь раскрыть тайну, которая давно беспокоила астрономов.

Об этом рассказывают в Университете штата Огайо.

Почти десятилетие назад астрофизик из Университета Аризоны Фериал Озель и ее коллеги заметили нечто странное. Хотя в нашей галактике было обнаружено многообразие черных дыр, но размер ни одной, казалось, не опускался ниже определенного предела. "Похоже, что не хватает черных дыр ниже пяти солнечных масс", - говорит она. "Статистически, это было очень важно".

После того, как Озель в 2010 году опубликовала статью об этой проблеме, этот так называемый массовый пробел остался непонятным. Даже после того, как гравитационные волновые детекторы LIGO и Virgo стали выявлять десятки скрытых черных дыр -- в том числе несколько неожиданностей -- массовый пробел, похоже что, крепко держался.

Со временем такие астрофизики, как Озель, начали задумываться: или маленькие черные дыры просто трудно найти, или их вообще может не существовать? "Важно установить наблюдательно, действительно ли этот пробел реален, или это наблюдательный артефакт", - говорит Вики Калогера, астрофизик из Северо-Западного университета и ведущий член команды LIGO.

Последние открытия начинают наводить на мысль, что второй вариант может быть верным. За прошедшие два года исследователи обнаружили несколько возможных черных дыр в массовом пробеле. Затем, в начале этого месяца, астрономы представили доказательства того, что может быть лучшим кандидатом на данный момент: объект в 2,9 солнечных масс, который получил название "единорог".

До LIGO астрономы находили черные дыры в основном путем поиска рентгеновских лучей, которые они производят, высасывая вещество из соседней звезды. Астрономы также могли обнаружить гравитационный эффект, который должна оказывать черная дыра на другую звезду в бинарной системе. Исследователи единорога применили этот последний метод, сосредоточившись на системе под названием "V723 Monoceros", расположенной примерно за 1000 световых лет от нас. Они изучали движение звезды-красного гиганта с помощью различных телескопов, в частности спутника Gaia Европейского космического агентства, который картографирует положение миллиардов звезд в нашей галактике, и Спутника наблюдения за транзитами экзопланет (TESS) от НАСА.

Исследователи пришли к выводу, что красный гигант, похоже что, танцует с невидимым партнером. Команда написала: "Самое простое объяснение темного компаньона -- один компактный объект, скорее всего, черная дыра в "массовом пробеле".

Если это открытие будет подтверждено, это поможет осветить тонкое отличие, которое природа предоставляет массивной звезде в конце ее жизни. Когда гигантская звезда исчерпывает свое топливо, масса звезды истекает внутрь и ее ядро ​​разрушается. Если надходящая масса может взорваться и преодолеть гравитационную силу звезды, она вспыхивает сверхновой. Но если нет -- если просто слишком много массы -- звезда рушится в себя и образует черную дыру.

"Это гонка между взрывом и образованием черных дыр", - говорит Тод Томпсон, астрофизик-теоретик из Университета штата Огайо и соавтор недавней работы. "Это гонку нужно выиграть примерно за секунду. Если за одну секунду она не взорвется, тогда образуется черная дыра. Если она все-таки взорвется, она оставит за собой нейтронную звезду".

Новости по подобной теме:

		Астрономы обнаружили крошечную черную дыру, неоднократно пробивающую газовый диск более крупной черной дыры
		Сверхмассивные черные дыры ненадолго просыпаются из глубокого сна благодаря измельченным ими звездам
		JWST разглядел большое количество новорожденных квазаров в ранней Вселенной

Что именно определяет, взорвется звезда как сверхновая, или коллапсирует в черную дыру, непонятно. "Реальная физика взрыва сверхновой чрезвычайно неизвестна", - говорит Томпсон. Массовый пробел черных дыр "может быть существенно важным ключом в понимании этого процесса".

До сих пор было сделано несколько предварительных открытий в массовом пробеле. Бенджамин Гизерс из Университета Геттингена в Германии и его коллеги обнаружили возможную черную дыру в 4,4 солнечных масс в 2018 году, тогда как Томпсон и его коллеги нашли кандидата в 3,3 солнечных масс в 2019 году.

Затем, в прошлом году, ученые из LIGO объявили об обнаружении объекта в 2,6 раза превышающий массу нашего Солнца -- очень раздражающий кандидат, который имеет массу, комфортную для массового пробела. "Лучший случай для черной дыры массового пробела от LIGO", - говорит Томпсон.

Однако при этих низких массах трудно отличить черную дыру от нейтронной звезды, поскольку последняя может доходить до теоретического максимума в 3 массы Солнца. И в зависимости от условий, нейтронные звезды также могут казаться темными. "Если нейтронная звезда - это пульсар с направленным на вас лучом, это очень очевидная вещь", - говорит Том Маккароне, эксперт по черным дырам и нейтронным звездам из Техасского университета. "Но если это не так, - добавляет он, - очень трудно отличить от черной дыры".

Таким образом, открытие черных дыр, такие как недавнее от LIGO, до сих пор не подтверждены, как и единорог. "Это выглядит правдоподобно", - говорит Йозель. "Я думаю, что их методы обоснованные, а анализ тщательный. Существует еще несколько других возможностей относительно того, чем это может быть, но вывод, к которому они пришли -- что это, скорее всего, одиночный темный объект массой 2, 9 солнечных масс -- кажется мне обоснованным".

Не все так уверены. С одной стороны, возможно, что эта конкретная система является не бинарной системой, а тройной, с двумя меньшими объектами, что учитывает отсутствие массы. Маккароне также отмечает, что если единорог -- это черная дыра, он должен оттягивать вещество от звезды-спутника и создавать рентгеновские лучи. "Рентгеновская светимость очень слаба доя сценария с черной дырой", - говорит он.

Существует также неопределенность по массе самого объекта. Хотя лучшая оценка -- 2,9 солнечных масс, авторы утверждают, что он может весить как только 2,6 и как 3,6 солнечных масс. "Этот диапазон слишком широкий для нас, чтобы быть уверенным, что это [не] нейтронная звезда", - говорит Калогера. "И в наблюдениях нет ничего другого, что позволяет отличить нейтронную звезду от черной дыры".

Если это открытие окажется не черной дырой -- и особенно если другие кандидаты также не выдержат проверку, -- возможно, черные дыры просто не образуются ниже 5 солнечных масс. Такое открытие должно иметь значительные последствия для нашего понимания физики сверхновой. "Если у вас действительно есть пробел, это говорит об очень быстром механизме взрыва", - говорит Маккароне. "Мы не понимаем, что движет взрывами сверхновой настолько хорошо, чтобы иметь сильное теоретическое предубеждение о том, чего ожидать".

Но если единорог является на самом деле черной дырой, он может быть одним из многих в этой прогалине, которые ожидают открытия и изучения. "Вот что захватывает в этой работе", - говорит Йозель. "Если мы дойдем до точки, когда мы знаем больше одного или двух из этих объектов, то мы сможем понять, какие типы процессов ведут к этим черным дырам меньшей массы".

Читайте еще интересные новости о космосе.

• Черные дыры