Вивчаючи дані, отримані за допомогою місії ESA Gaia, вчені виявили "сплячого гіганта". Велика чорна діра з масою, що майже в 33 рази перевищує масу Сонця, ховалася в сузір'ї Орла, менш ніж за 2000 світлових років від Землі.
Це перший випадок, коли чорна діра зоряного походження такого розміру була помічена в межах Чумацького Шляху. Досі чорні діри такого типу спостерігалися тільки в дуже далеких галактиках. Це відкриття кидає виклик розумінню того, як розвиваються та еволюціонують масивні зірки.
Матерія в чорній дірі настільки щільно стиснута, що ніщо не може уникнути її величезного гравітаційного тяжіння, навіть світло. Переважна більшість відомих чорних дір із зоряною масою поглинають матерію найближчої зірки-компаньйона. Захоплена речовина падає на колапсований об'єкт із великою швидкістю, стає надзвичайно гарячою і випускає рентгенівське випромінювання. Такі системи належать до сімейства небесних об'єктів, званих рентгенівськими бінарами.
Коли у чорної діри немає досить близького компаньйона, у якого вона могла б вкрасти речовину, вона не випромінює ніякого світла, і виявити її вкрай складно. Такі чорні діри називають "сплячими".
Під час підготовки до випуску наступного каталогу Gaia, Data Release 4 (DR4), увагу вчених привернула стара гігантська зірка в сузір'ї Орла, що розташована на відстані 1926 світлових років від Землі. Детально проаналізувавши коливання траєкторії зірки, вони виявили великий сюрприз. Зірка була пов'язана орбітальним рухом зі сплячою чорною дірою з винятково великою масою, яка приблизно в 33 рази перевищує масу Сонця.
Це третя спляча чорна діра, виявлена за допомогою космічної обсерваторії Gaia, і вона отримала назву "Gaia BH3". "Таке відкриття можна зробити один раз у житті", — каже Паскуале Пануццо з CNRS, Паризької обсерваторії, який є провідним автором цієї знахідки. "Досі чорні діри такого розміру виявлялися тільки в далеких галактиках колаборацією LIGO-Virgo-KAGRA завдяки спостереженням за гравітаційними хвилями".
Середня маса відомих чорних дір зоряного походження в нашій галактиці приблизно в 10 разів перевищує масу нашого Сонця. Досі рекорд маси належав чорній дірі в рентгенівській двійці в сузір'ї Лебедя (Cyg X-1), чия маса, за оцінками, приблизно у 20 разів перевищує масу Сонця.
Якість даних Gaia дала змогу вченим визначити масу чорної діри з безпрецедентною точністю і надати найпряміші докази того, що чорні діри в цьому діапазоні мас існують. Більшість теорій передбачає, що в міру старіння масивні зірки скидають значну частину своєї речовини під дією потужних вітрів, і врешті-решт вони частково вилітають у космос, вибухаючи у вигляді наднових. Те, що залишається від їхнього ядра, надалі стискається і перетворюється або на нейтронну зірку, або на чорну діру, залежно від її маси. Ядра, достатньо великі, щоб перетворитися на чорні діри, маса яких у 30 разів перевищує масу нашого Сонця, дуже важко пояснити.
Однак ключ до розгадки цієї головоломки може лежати зовсім поруч із Gaia BH3.
Зірка, що обертається навколо Gaia BH3 на відстані, яка приблизно в 16 разів перевищує відстань між Сонцем і Землею, доволі незвична: це давня гігантська зірка, що сформувалася в перші два мільярди років після Великого вибуху, коли наша галактика почала формуватися. Вона належить до сімейства галактичного зоряного гало і рухається в напрямку, протилежному зіркам галактичного диска. Її траєкторія вказує на те, що ця зірка, ймовірно, була частиною невеликої галактики або кульового скупчення, поглинутого нашою власною галактикою понад вісім мільярдів років тому.
У складі зірки-компаньйона дуже мало елементів важчих за водень і гелій, що вказує на те, що масивна зірка, яка стала Gaia BH3, також могла бути дуже бідною на важкі елементи. Це вперше підтверджує теорію про те, що чорні діри великої маси, спостережувані в гравітаційно-хвильових експериментах, утворилися в результаті колапсу первісних масивних зірок, бідних на важкі елементи. Ці ранні зірки могли еволюціонувати інакше, ніж масивні зірки, які ми спостерігаємо в нашій галактиці в даний час.
Відкриття Gaia BH3 — це тільки початок, і багато що ще належить з'ясувати про її загадкову природу. Колаборація Gaia натрапила на цього "сплячого гіганта" під час перевірки попередніх даних у рамках підготовки до четвертого випуску каталогу Gaia. Оскільки знахідка настільки незвичайна, вони вирішили оголосити про неї раніше офіційного релізу.
