Астрономы обнаружили ближайшую к Земле черную дыру

На сегодняшний день подтверждено лишь несколько, и почти все они «активные» — то есть они ярко светятся в рентгеновских лучах, поскольку поглощают материал близлежащего звездного компаньона, в отличие от спящих черных дыр, которые этого не делают.

Астрономы с помощью телескопа Gemini North на Гавайях, одного из телескопов-близнецов Международной обсерватории Gemini, управляемой NOIRLab NSF, обнаружили ближайшую к Земле черную дыру, которую исследователи назвали Gaia BH1. Эта дремлющая черная дыра весит примерно в 10 раз больше массы Солнца и расположена примерно в 1600 световых годах от нас в созвездии Змееносца, что делает ее в 3 раза ближе к Земле, чем предыдущий рекордсмен, рентгеновская двойная система A0620-00 в созвездии Единорога. 

Новое открытие стало возможным благодаря тщательным наблюдениям за движением компаньона черной дыры, солнцеподобной звезды, которая вращается вокруг черной дыры примерно на том же расстоянии, что и Земля вокруг Солнца.

«Возьмите Солнечную систему, поместите черную дыру туда, где находится Солнце, и Солнце, где Земля, и вы получите такую систему», — объяснил Карим Эль-Бадри, астрофизик из Центра астрофизики Гарвардского и Смитсоновского институтов и Института астрономии Макса Планка, а также ведущий автор статьи, описывающей это открытие.

«Хотя было много заявлений об обнаружении подобных систем, почти все эти открытия впоследствии были опровергнуты. Это первое однозначное обнаружение солнцеподобной звезды на широкой орбите вокруг черной дыры звездной массы в нашей галактике».

Хотя в галактике Млечный Путь бродят миллионы черных дыр звездной массы, некоторые были обнаружены благодаря их энергетическим взаимодействиям со звездой-компаньоном. По мере того, как материал от ближайшей звезды движется по спирали к черной дыре, он перегревается и генерирует мощные рентгеновские лучи и джеты. Если черная дыра не питается активно (бездействует), она просто сливается с окружающей средой.

«Последние четыре года я искал спящие черные дыры, используя широкий спектр наборов данных и методов», — сказал Эль-Бадри. «Мои предыдущие попытки, как и попытки других, выявили множество бинарных систем, маскирующихся под черные дыры, но поиски впервые принесли плоды».

Команда первоначально идентифицировала систему как потенциально содержащую черную дыру, проанализировав данные космического корабля Gaia Европейского космического агентства. Gaia запечатлела мельчайшие неровности в движении звезды, вызванные гравитацией невидимого массивного объекта. Чтобы изучить систему более подробно, Эль-Бадри с командой обратились к прибору Gemini Multi-Object Spectrograph на Gemini North, который измерил скорость звезды-компаньона, когда она вращалась вокруг черной дыры, и обеспечил точное измерение ее орбитального периода.

Последующие наблюдения Gemini имели решающее значение для ограничения орбитального движения и, следовательно, масс двух компонентов в системе, что позволило команде идентифицировать центральное тело как черную дыру примерно в 10 раз массивнее Солнца.

«Последующие наблюдения Gemini вне всякого сомнения подтвердили, что двойная система содержит обычную звезду и по крайней мере одну спящую черную дыру», — пояснил Эль-Бадри. «Мы не смогли найти правдоподобного астрофизического сценария, который мог бы объяснить наблюдаемую орбиту системы, в которой не было бы хотя бы одной черной дыры».

Команда полагалась не только на наблюдательные возможности Gemini North, но и на способность Gemini предоставлять данные в сжатые сроки, поскольку у команды было только короткое окно для выполнения последующих наблюдений.

«Когда появились первые признаки того, что в системе есть черная дыра, у нас была всего одна неделя, прежде чем два объекта оказались на максимальном расстоянии друг от друга на своих орбитах. Измерения в этот момент необходимы для точных оценок массы в двойной системе», — сказал Эль-Бадри. 

Нынешние астрономические модели эволюции двойных систем с трудом объясняют, как могла возникнуть своеобразная конфигурация системы Gaia BH1. В частности, звезда-прародительница, которая позже превратилась в недавно обнаруженную черную дыру, должна была быть как минимум в 20 раз массивнее нашего Солнца.

Это означает, что он прожил бы всего несколько миллионов лет. Если бы обе звезды образовались одновременно, массивная звезда быстро стала бы сверхгигантом, раздулась и поглотила бы другую звезду, прежде чем она успела бы стать настоящей, сжигающей водород звездой главной последовательности, такой как Солнце.

Совершенно неясно, как звезда солнечной массы могла пережить этот эпизод и стать нормальной звездой, на что указывают наблюдения двойной черной дыры. Все теоретические модели, допускающие выживание, предсказывают, что звезда солнечной массы должна была оказаться на гораздо более узкой орбите, чем та, что наблюдается на самом деле.

Это может указывать на наличие серьезных пробелов в нашем понимании того, как черные дыры формируются и развиваются в двойных системах, а также предполагает существование еще неисследованной популяции спящих черных дыр в двойных системах.

«Интересно, что эта система не может быть легко приспособлена к стандартным моделям бинарной эволюции», — заключил Эль-Бадри. «Это ставит много вопросов о том, как образовалась эта бинарная система, а также о том, сколько этих спящих черных дыр существует».

«Являясь частью сети космических и наземных обсерваторий, Gemini North предоставила не только убедительные доказательства существования ближайшей к настоящему времени черной дыры, но и первую первозданную систему черных дыр, не загроможденную обычным горячим газом, взаимодействующим с черной дырой», — сказал руководитель программы NSF Gemini Мартин Стилл.

«Хотя это потенциально предвещает будущие открытия предсказанной популяции дремлющих черных дыр в Галактике, наблюдения также оставляют загадку, которую предстоит разгадать — несмотря на общую историю со своим экзотическим соседом, почему звезда-компаньон в этой двойной системе такая нормальная?»