За допомогою телескопа Gemini North («Близнюк-Північ») на Гаваях виявлено першу спокійну чорну діру зоряної маси на нашому космічному «подвір’ї».
Астрономи, що працюють в Міжнародній обсерваторії «Близнюки» (International Gemini Observatory), якою керує NOIRLab (National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory) Національного наукового фонду США, виявили найближчу до Землі чорну діру. Це перше однозначне виявлення спокійної (тихої) чорної діри зоряної маси в Молочному Шляху. Відстань до неї становить всього 1600 світлових років. Цей факт обіцяє хорошу перспективу для її вивчення, щоб поглибити наше розуміння еволюції подвійних зоряних систем.
Чорні діри — найнезвичніші об’єкти у Всесвіті. Надмасивні представники цих неймовірно щільних об’єктів, ймовірно, містяться в центрах усіх великих галактик. Чорні діри зоряної маси, маса яких приблизно в 5—100 разів перевищує масу Сонця, трапляються набагато частіше, лише в Молочному Шляху їх приблизно 100 мільйонів. Однак досі підтверджено лише кілька, і майже всі вони «активні» — це означає, що вони яскраво сяють у рентгенівських променях, коли споживають речовину із сусідньої зорі-супутника. На відміну від них, спокійні чи тихі (або такі, що сплять) чорні діри, цього не роблять.
Чорну діру, виявлену за допомогою телескопа Gemini North, одного з телескопів-близнюків, дослідники назвали GaiaBH1. Ця тиха чорна діра приблизно вдесятеро масивніша, ніж Сонце. Вона лежить на відстані приблизно 1600 світлових років від Землі в напрямку сузір’я Змієносця. Ця чорна діра міститься втричі ближче до Землі, ніж попередній рекордсмен — рентгенівська подвійна система в сузір’ї Однорога. Нове відкриття стало можливим завдяки ретельним спостереженням за рухом супутника чорної діри, зорі, схожої на Сонце, що обертається навколо чорної діри приблизно на такій відстані, як Земля навколо Сонця.
«Візьміть Сонячну систему, помістіть чорну діру там, де міститься Сонце, а Сонце — там, де лежить Земля, і ви отримаєте цю систему», — пояснив Карім Ель-Бадрі (Kareem El-Badry), астрофізик із Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики та Інституту астрономії Макса Планка, а також перший автор статті, де описано це відкриття. «Хоча було багато заяв про виявлення таких систем, майже всі ці відкриття згодом були спростовані. Це перше однозначне виявлення сонцеподібної зорі на широкій орбіті навколо чорної діри зоряної маси в нашій галактиці».
Хоча галактикою Молочний Шлях, ймовірно, блукають мільйони чорних дір зоряної маси, ті кілька, які знайдено, виявлені завдяки їх енергетичній взаємодії із зорею-компаньйоном. Коли речовина із сусідньої зорі рухається по спіралі до чорної діри, вона перегрівається та генерує потужне рентгенівське випромінювання і струмені частинок. Якщо чорна діра не живиться активно (тобто «спить»), вона просто зливається з навколишнім середовищем.
«Останні чотири роки я шукав спокійні чорні діри, використовуючи широкий спектр наборів даних і методів», — сказав Ель-Бадрі. «Мої попередні спроби — як і спроби інших — виявили звіринець подвійних систем, які маскуються під чорні діри, але це вперше, коли пошуки принесли плоди».
Наукова група спочатку визначила подвійну зоряну систему як таку, що містить потенційну чорну діру, проаналізувавши дані від космічного зонда «Гайя»(Gaia) Європейського космічного агентства. Gaia зафіксувала найменші нерівномірності в русі зорі, спричинені силою тяжіння невидимого масивного об’єкта. Щоб дослідити систему докладніше, Ель-Бадрі та його команда застосували багатооб’єктний спектрограф (Gemini Multi-Object Spectrograph), встановлений на Gemini North. Цей прилад дав змогу виміряти швидкість зорі-компаньйона у процесі її обертання навколо чорної діри, що уможливило точне вимірювання її орбітального періоду. Подальші спостереження за допомогою телескопа «Близнюк-Північ» мали вирішальне значення для встановлення орбітального руху і, отже, маси двох компонентів у подвійній системі, що дозволило групі ідентифікувати центральне тіло як чорну діру.
«Наші подальші спостереження в обсерваторії Gemini поза розумним сумнівом підтвердили, що подвійна система містить нормальну зорю та принаймні одну спокійну чорну діру», — уточнив Ель-Бадрі. «Ми не змогли знайти жодного правдоподібного астрофізичного сценарію, який міг би пояснити спостережувану орбіту системи, яка б не містила принаймні одну чорну діру».
Наукова група покладалася не лише на чудові спостережні можливості «Близнюк-Північ», але й на здатність Gemini надавати дані в стислі терміни, оскільки команда мала лише короткий вікно для виконання своїх подальших спостережень.
«Коли ми отримали перші ознаки того, що система містить чорну діру, у нас був лише тиждень до того, як два об’єкти опинилися на найближчій відстані на своїх орбітах. Вимірювання на цьому етапі потрібні для точного визначення маси в подвійній системі», — сказав Ель-Бадрі. «Здатність Gemini виконувати спостереження у короткий проміжок часу була критичною для успіху проєкту. Якби ми пропустили це вузьке вікно, нам довелося б чекати ще рік».
Сучасні моделі еволюції подвійних систем достеменно не пояснюють, як могла виникнути особлива конфігурація системи GaiaBH1. Зокрема, зоря-попередниця, яка пізніше перетворилася на нещодавно виявлену чорну діру, мала бути принаймні в 20 разів масивнішою, ніж Сонце. Це означає, що вона прожила б лише кілька мільйонів років. Якби обидві зорі утворилися одночасно, ця масивна зірка швидко перетворилася б у надгіганта, розширилась і поглинула іншу зорю, перш ніж вона встигла стати нормальною зорею головної послідовності (йдеться про діаграму Герцшпрунга—Рассела, Ред.), що спалює водень, як Сонце.
Зовсім незрозуміло, як зоря сонячної маси змогла пережити цей епізод, залишившись начебто нормальною зорею — на це вказують спостереження подвійної системи чорної діри. Теоретичні моделі, які допускають виживання зорі-супутника, передбачають, що зоря сонячної маси мала міститися на значно тіснішій орбіті, ніж те, що слідує насправді зі спостережень.
Це може свідчити про наявність важливих прогалин у нашому розумінні того, як чорні діри утворюються та еволюціонують у подвійних системах, а також про існування ще невивченої популяції спокійних чорних дір у подвійних системах.
«Цікаво, що цю систему нелегко адаптувати до стандартних моделей еволюції подвійних зір», — підсумував Ель-Бадрі. «Це ставить багато питань про те, як утворилася ця подвійна система, а також про те, скільки чорних дір є в таких системах».
«Як частина мережі космічних і наземних обсерваторій Gemini North не тільки надав переконливі докази існування найближчої чорної діри дотепер, але й першої системи з чорною дірою, вільної від звичайного гарячого газу, що взаємодіє з чорною дірою», — сказав керівник програми Gemini в Національному науковому фонді США Мартін Стілл (Martin Still). «Хоча це потенційно є передвістям майбутніх відкриттів передбачуваної популяції спокійних чорних дір у нашій галактиці, спостереження також залишають таємницю, яку потрібно розгадати — чому зоря-компаньйон у цій подвійній системі, незважаючи на спільну історію з її екзотичним сусідом, така нормальна?»
За інф. з сайту https://noirlab.edu підготував Іван Крячко
