Астрономы обнаружили первую из ожидаемых в скоплении «Омега Центавра» черную дыру звездной массы

В массивном звездном скоплении с помощью астрометрических измерений обнаружена первая черная дыра звёздной массы из «отсутствующей» популяции.

Об открытии сообщают в NASA, передают OstanniPodii.com.

Массивное шаровое звездное скопление «Омега Центавра» уже десятилетиями ставит астрономов в тупик. Оно должно быть наполнено черными дырами, оставшимися после взрывов звезд, однако доказательств их существования почти нет. Теперь астрономы, используя архивные данные космического телескопа «Хаббл» и, для подтверждения, наблюдения космического телескопа «Джеймс Уэбб», наконец обнаружили первую чёрную дыру звёздной массы в этом скоплении. Открытие первой из этой «отсутствующей» популяции чёрных дыр поможет уточнить современные теории о формировании чёрных дыр в таких средах, как «Омега Центавра». Результаты были опубликованы в журнале «The Astrophysical Journal Letters».

«Омега Центавра» состоит из 10 миллионов звёзд, связанных гравитационно. Хотя ранее астрономическое сообщество с помощью «Хаббла» обнаружило доказательства того, что в центре скопления скрыта чёрная дыра средней массы, модели указывают на, что это звёздное скопление также должно содержать около 10 000 меньших чёрных дыр звёздной массы. Эта значительная популяция чёрных дыр ускользнула от обнаружения в предыдущих наблюдательных исследованиях, в которых использовался метод радиальной скорости или проводился поиск радио- и рентгеновского излучения от вещества, падающего на чёрные дыры.

Это новое открытие основано на другом подходе, известном как астрометрия, который позволяет измерять очень незначительные смещения звёзд во времени. Проанализировав более 20 лет архивных данных телескопа «Хаббл» и использовав последние данные телескопа «Уэбб» для дальнейшего уточнения астрометрических измерений, команда обнаружила звезду, вращающуюся вокруг невидимого объекта, настолько массивного, что это не может быть ничем иным, как черной дырой. Этот объект, получивший название oMEGACat BH-2, является первой чёрной дырой звёздной массы, обнаруженной в созвездии Омега Центавра, и обладает некоторыми неожиданными свойствами. oMEGACat BH-2 имеет меньшую, чем ожидалось, массу, и вместе со своей видимой спутницей-звездой эта пара «черная дыра — звезда» имеет самый длинный орбитальный период среди всех известных на сегодняшний день двойных систем с черными дырами.

«Благодаря данным телескопов «Хаббл» и «Уэбб» нам удалось наблюдать движение видимой звезды главной последовательности, входящей в состав этой двойной системы, которая находится на расстоянии около 18 000 световых лет в плотной среде созвездия Омега Центавра», — отметил Мэтью Витакер из Университета Юты в Солт-Лейк-Сити, главный автор исследования. «Точность этих измерений впечатляет — она достигает доли пикселя на детекторах телескопов «Хаббл» и «Уэбб». Без этих двух космических телескопов обнаружить чёрную дыру было бы невозможно».

Результаты исследований команды уточняют выводы предыдущего исследования, проведённого другой группой учёных, которые предполагали, что эта двойная система включает нейтронную звезду. Расширив данные телескопа «Хаббл» из предыдущего исследования архивными астрометрическими измерениями за период с 2002 по 2023 год и привлекая данные телескопа «Уэбб» в ближнем инфракрасном диапазоне для повышения точности, команда под руководством Университета Юты смогла более точно определить массу тёмного компаньона видимой звезды, исключив возможность того, что это нейтронная звезда.

«Хотя мы уже знали, что масса звезды составляет 0,78 солнечной массы, теперь мы можем рассчитать массу черной дыры, которая равна 4,46 солнечной, а значит, слишком велика, чтобы это была нейтронная звезда. Однако её масса намного меньше, чем можно было бы ожидать в среде с низким содержанием металлов, такой как Омега Центавра. «Это удивительно и захватывающе», — сказал Анил Сет из Университета Юты, соавтор исследования. «Теперь мы знаем, что звезда с низким содержанием металлов способна сформировать такую черную дыру, и нам нужно выяснить, как это происходит. Это открытие предоставляет определенные данные тем, кто занимается подобным моделированием».

Длительное наблюдение

На основе точных данных, полученных с телескопов «Хаббл» и «Уэбб», команда смогла проследить траекторию движения звезды на протяжении более 20 лет, в момент её ближайшего сближения с чёрной дырой-компаньоном, когда она двигалась по небу с максимальной скоростью. На основе обширных данных команда установила, что видимая звезда обращается вокруг oMEGACat BH-2 раз в 94 года, что делает эту систему двойной системой с чёрной дырой, имеющей самый длинный период обращения среди всех известных на сегодняшний день.

Её длительный орбитальный период также даёт подсказку относительно происхождения этой двойной системы. Вероятно, она образовалась динамически, то есть звезда и её компаньон — чёрная дыра — изначально не существовали вместе, а нашли друг друга в этом скоплении. Исследователи подсчитали, что такая система, как oMEGACat BH-2, просуществует менее миллиарда лет, прежде чем её разорвёт столкновение с соседними звёздами — это гораздо более короткий срок, чем возраст скопления (примерно 12 миллиардов лет).

«Важно понимать популяции чёрных дыр в шаровых скоплениях, поскольку существует неопределённость относительно их физики и образования», — отметил Сет. «В частности, понимание процесса образования чёрных дыр, а затем динамического формирования двойных систем очень важно, поскольку это влияет на нашу способность интерпретировать и понимать события, связанные с гравитационными волнами. Такие среды, как Омега Центавра, являются основными местами, где, по нашему мнению, двойные системы сливаются и создают эти волны».

Открытие командой чёрной дыры звёздной массы oMEGACat BH-2 с помощью набора данных «Хаббла» и «Уэбба» — это лишь начало поиска этих неуловимых популяций чёрных дыр в шаровых звёздных скоплениях.

«Благодаря «Хабблу» и «Уэббу» мы можем продолжать наблюдать за «Омегой Центавра» и расширять поиск подобных систем в других скоплениях», — отметил Витакер. «Мы также очень рады запуску космического телескопа НАСА имени Нэнси Грейс Роман, поскольку он будет регулярно снимать переполненное галактическое выпячивание, включая центр [нашей] галактики, с разрешением, схожим с «Хабблом», и с гораздо более широким полем зрения. Мы надеемся, что благодаря регулярному ритму наблюдений телескопа «Роман» нам удастся найти двойные системы чёрных дыр, подобные этой».

• Черные дыры