Телескоп Gemini North на Гаваях відкрив першу сплячу чорну діру зоряної маси в Чумацькому Шляху. Астрономи, які використовують Міжнародну обсерваторію Джеміні, якою керує NOIRLab NSF, виявили найближчу до Землі чорну діру. Це перше однозначне виявлення сплячої чорної діри зіркової маси так близько до Землі – всього за 1600 світлових років від нас – інтригуюча можливість для вивчення, щоб поглибити наше розуміння еволюції подвійних систем.
Чорні діри – найбільш екстремальні об'єкти у Всесвіті. Надмасивні версії цих неймовірно щільних об’єктів, ймовірно, знаходяться в центрах усіх великих галактик. Чорні діри зоряної маси, вага яких приблизно в 5-100 разів перевищує масу Сонця, зустрічаються набагато частіше, лише в Чумацькому Шляху їх приблизно 100 мільйонів. Однак на сьогоднішній день підтверджено лише кілька, і майже всі вони «активні» — це означає, що вони яскраво сяють у рентгенівських променях, коли споживають матеріал із сусіднього зоряного супутника, на відміну від сплячих чорних дір, які цього не роблять.
Астрономи за допомогою телескопа Gemini North на Гаваях, одного з телескопів-близнюків Міжнародної обсерваторії Gemini, керованої NOIRLab NSF, виявили найближчу до Землі чорну діру, яку дослідники назвали Gaia BH1. Ця спляча чорна діра приблизно в 10 разів масивніша за Сонце та розташована на відстані приблизно 1600 світлових років від нас у сузір’ї Змієносця, що робить її втричі ближчою до Землі, ніж попередній рекордсмен — рентгенівська подвійна система в сузір’ї Єдинорога. Нове відкриття стало можливим завдяки спостереженням за рухом супутника чорної діри, зірки, схожої на Сонце, яка обертається навколо чорної діри приблизно на такій самій відстані, як Земля навколо Сонця.
«Візьміть Сонячну систему, помістіть чорну діру там, де знаходиться Сонце, а Сонце — там, де знаходиться Земля, і ви отримаєте цю систему», — пояснив Карім Ель-Бадрі, астрофізик із Центру астрофізики Harvard & Smithsonian та Інституту астрономії Макса Планка, а також провідний автор статті, що описує це відкриття. «Хоча було багато заяв про виявлення подібних систем, майже всі ці відкриття згодом були спростовані. Це перше однозначне виявлення сонцеподібної зірки на широкій орбіті навколо чорної діри зіркової маси в нашій Галактиці».
Хоча галактикою Чумацький Шлях, ймовірно, блукають мільйони чорних дір зоряної маси, ті небагаті, що були виявлені, були виявлені завдяки їх енергетичній взаємодії із зіркою-компаньйоном. Коли матеріал із сусідньої зірки обертається по спіралі до чорної діри, він перегрівається та генерує потужне рентгенівське випромінювання та струмені матеріалу. Якщо чорна діра не живиться активно (тобто вона спляча), вона просто зливається з навколишнім середовищем.
«Останні чотири роки я шукав сплячі 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 перший раз, коли пошуки принесли плоди».
Команда спочатку визначила систему як потенційну чорну діру, проаналізувавши дані космічного корабля Gaia Європейського космічного агентства. Gaia зафіксувала найменші нерівності в русі зірки, спричинені силою тяжіння невидимого масивного об’єкта. Щоб дослідити систему більш детально, Ель-Бадрі та його команда звернулися до приладу Gemini Multi-Object Spectrograph на Gemini North, який виміряв швидкість зірки-компаньйона, коли вона оберталася навколо чорної діри, і забезпечив точне вимірювання її орбітального періоду. Подальші спостереження Gemini мали вирішальне значення для обмеження орбітального руху і, отже, маси двох компонентів у подвійній системі, що дозволило групі ідентифікувати центральне тіло як чорну діру, яка приблизно в 10 разів масивніша за наше Сонце.
«Наші подальші спостереження Gemini поза розумним сумнівом підтвердили, що подвійна система містить нормальну зірку та принаймні одну сплячу чорну діру», — уточнив Ель-Бадрі. «Ми не змогли знайти жодного правдоподібного астрофізичного сценарію, який міг би пояснити спостережувану орбіту системи, яка б не включала принаймні одну чорну діру».
Команда покладалася не лише на чудові спостережні можливості Gemini North, 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 необхідні для точного визначення маси в подвійній системі», — сказав Ель-Бадрі. «Здатність Gemini проводити спостереження за короткий проміжок часу була критичною для успіху проекту. Якби ми пропустили це вузьке вікно, нам довелося б чекати ще рік».
Сучасною астрономічною моделлю еволюції подвійних систем важко пояснити, як могла виникнути особлива конфігурація системи Gaia BH1. Зокрема, зірка-попередниця, яка пізніше перетворилася на нещодавно виявлену чорну діру, була б принаймні в 20 разів масивнішою за наше Сонце. Це означає, що вона прожила би лише кілька мільйонів років. Якби обидві зірки утворилися одночасно, ця масивна зірка швидко перетворилася б на надгігант, роздувшись і поглинувши іншу зірку, перш ніж вона встигне стати справжньою зіркою головної послідовності, що спалює водень, як наше Сонце.
Зовсім незрозуміло, як зірка сонячної маси могла пережити цей епізод, залишившись начебто нормальною зіркою, як показують спостереження подвійної системи чорної діри. Теоретичні моделі, які дійсно допускають виживання, передбачають, що зірка з сонячною масою повинна була опинитися на набагато тіснішій орбіті, ніж те, що спостерігається насправді.
Це може свідчити про наявність важливих прогалин у нашому розумінні того, як чорні діри утворюються та еволюціонують у подвійних системах, а також свідчить про існування ще невивченої популяції сплячих чорних дір у подвійних системах.
«Цікаво, що цю систему нелегко адаптувати до стандартних бінарних моделей еволюції», — підсумував Ель-Бадрі. «Це ставить багато питань про те, як утворилася ця подвійна система, а також про те, скільки цих сплячих чорних дір там».
