Обнаружена самая маленькая черная дыра

Самая легкая из известных черных дыр в бинарной системе XTE J1650-500. На иллюстрации показана область черной дыры, вокруг которой обращается звезда-компаньон. NASA/CXC/A. Hobar

Новый рекордсмен-легковес весит примерно в 3,8 раз больше массы нашего солнца, а в диаметре имеет всего 24 км.

«Эта черная дыра по-настоящему раздвигает границы наших представлений, — говорит Николай Шапошников, руководитель научной группы из Центра управления космическими полетами NASA им. Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд. — В течение многих лет астрономы стремились узнать минимальные возможные размеры черной дыры, и этот малыш — огромный шаг на пути к решению этого вопроса».

Легковесная черная дыра располагается в нашей галактике, в двойной системе под названием XTE J1650-500 в созвездии Жертвенник южного полушария неба. RXTE, научный спутник NASA, открыл систему в 2001 году, и очень скоро астрономам стало понятно, что система является пристанищем для относительной легкой черной дыры. Однако точных замеров массы черной дыры не проводилось.

Черные дыры невозможно увидеть, но можно установить по активности вокруг них, что позволяет астрономам в том числе вычислить размер области внутри этой активности и то, какой массой должна обладать эта скрытая область, чтобы вызвать происходящее вокруг нее. Конкретнее, астрономы могу взвесить черную дыру через отношение между внешним размером дыры и рентгеновскими лучами, испускаемыми потоком газа, который, вращаясь, втягивается в диск черной дыры из находящейся рядом звезды.

Накапливаясь рядом с черной дырой, газ «становится очень плотным и перенасыщенным», как уличная пробка, — объяснял на пресс-конференции, посвященной открытию, Шапошников. — «Поэтому материи приходится буквально протискиваться в черную дыру».

Протиснувшись, газ нагревается и испускает рентгеновские лучи. Интенсивность рентгеновского излучения варьируется по схеме, повторяющийся с определенной регулярностью. Астрономы давно уже подозревают, что частота этого сигнала, названного квази-периодической осцилляцией (КПО), зависит от массы черной дыры.

По мере того, как черная дыра увеличивается, зона газовой воронки отодвигается дальше и дальше, и отсчет КПО замедляется. Но в случае маленьких черных дыр газ находится близко и КПО тикает быстро.

На этом «виде снизу» на черную дыру и окружающий ее диск газ по спирали устремляется к черной дыре и накапливается в непосредственной близости, создавая пробку. Чем меньше черная дыра, тем ближе к ней такая пробка, и тем чаще периодичность рентгеновского излучения. NASA

Шапошников и его коллега Лев Титарчук из Университета Джорджа Мэсон, воспользовались этим методом, чтобы «взвесить» XTE J1650-500 и получили массу 3,8 солнц. Эта величина меньше, чем у предыдущего рекордсмена GRO 1655-40, весившего около 6,3 солнц по той же шкале.

Новые измерения могут помочь установить какова минимальная масса звезды, способной породить черную дыру. Астрономы знают о существовании некоего неустановленного порога, возможно между 1,7 и 2,7 массами солнца, разделяющего звезды, производящие после своей смерти черные дыры, и те, что порождают нейтронные звезды.

«Новые результаты значительно приблизили нас к этому теоретически предсказанному пределу», — заявил Шапошников.

Знание этой границы поможет ученым понять поведение материи, сжатой до неимоверно высокой плотности.

«Вопрос массы черных дыр волнует нас уже более десятилетия», — призналась во время пресс-конференции астрофизик Вики Калогера из Северо-западного университета, не принимавший участия в исследовании. Ученые предсказали, что черных дыр с низкой массой должно быть больше, чем обнаружено до сих пор астрономами, и данное исследование поможет прояснить недоумение по поводу того, куда же делись остальные.

Калогера предупредила, что метод, к которому прибегли Шапошников и Титарчук, не является основным способом определения массы черных дыр, но заметила, что определенные таким образом массы других черных дыр вполне соответствовали результатам, полученным стандартным методом.

Шапошников и Титарчук представили свои находки 31 марта на собрании Отделения высокоэнергетической астрофизики Американского астрономического общества в Лос-Анджелесе.