Этот тёмный объект, весящий в семь раз больше массы Солнца, на сегодняшний день является кандидатом на роль свободно перемещающейся
чёрной дыры. Самые большие из них — сверхмассивные чёрные дыры, которые имеют массу в миллиарды солнц — были обнаружены в центрах почти каждой галактики, и даже удалось сфотографировать одну из них.
Между тем, исследователи теперь регулярно обнаруживают
гравитационные волны, распространяющиеся по Вселенной от сливающихся чёрных дыр меньшего размера.
Находясь ближе к земле, можно наблюдать впечатляющий небесный фейерверк, когда собственная сверхмассивная чёрная дыра Млечного Пути и её более миниатюрные собратья впитывают газовые облака или даже целые звёзды.
Однако никогда раньше не наблюдалось давно предсказанное явление: изолированная чёрная дыра, бесцельно дрейфующая в космосе, рождающаяся и выбрасываемая из коллапсирующего ядра массивной звезды. До сих пор.
Учёные объявили о первом в истории недвусмысленном открытии свободно плавающей чёрной дыры, блуждающей в пустоте примерно в 5000 световых лет от Земли. Результат, появившийся 31 января на сервере препринтов arXiv, но ещё не прошедший рецензирование, представляет собой кульминацию более чем десятилетнего напряженного поиска. «Это очень интересно», — говорит Марина Рейкуба из Европейской южной обсерватории в Германии, соавтор статьи. «Мы действительно можем доказать, что изолированные чёрные дыры существуют».
Это открытие может быть только началом
Ожидается, что текущие исследования и предстоящие миссии найдут ещё десятки или даже сотни таких тёмных одиноких путешественников. «Это верхушка айсберга», — говорит Карим Эль-Бадри из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, не принимавший участия в работе.
Фото: hi-news.ru
В 1919 году британский астроном Артур Стэнли Эддингтон провёл знаменитый эксперимент. Специальная и общая теории относительности Эйнштейна постулировали, что массивные объекты должны оставлять впадину в пространстве-времени, искривляя близлежащие лучи света в процессе, известном как гравитационное линзирование. Эддингтон доказал это во время полного солнечного затмения, когда блики солнца были сведены к минимуму, чтобы можно было увидеть фоновые звезды, соседние с ним на небе.
Используя технику, известную как астрометрия, он тщательно отметил положения этих звёзд до и во время затмения, выявив тонкое изменение их видимого положения на небе из-за того, что их свет искажается значительным гравитационным притяжением нашей звезды.
В последующие десятилетия учёные нашли новое применение этой технике. Звёзды, масса которых более чем в 20 раз превышает массу Солнца, должны образовывать чёрные дыры в конце своей жизни, когда их тяжёлые ядра коллапсируют под собственным весом из-за истощения их термоядерного топлива. Рождение такой чёрной дыры звёздной массы — сферы размером с город, масса которой в десятки раз превышает массу Солнца — часто сопровождается яркой сверхновой из-за огромных энергий, высвобождаемых при коллапсе ядра.
Эти силы могут быть настолько велики, что иногда выбрасывают новорождённую чёрную дыру прямо из своего чрева в бесконечном межзвездном путешествии. Эта космическая тяга к путешествиям, а также небольшие размеры чёрных дыр и присущая им темнота должны сделать их почти невозможными для наблюдения.
Фото: versiya.info
Работа Эддингтона, однако, предполагает, что этих изгоев можно найти, наблюдая за их линзирующими эффектами — как правило, предательское кратковременное увеличение яркости любых фоновых звёзд, через которые чёрные дыры пролетают в поле зрения. Шансы увидеть такое событие для изолированной чёрной дыры были невелики, но, учитывая, что миллионы чёрных дыр звездной массы дрейфуют по нашей галактике, некоторые из них могут обнаружиться при достаточно широком и глубоком обзоре неба.
В настоящее время ведётся поиск этих и других так называемых явлений микролинзирования в нескольких проектах, в том числе эксперимент по оптическому гравитационному линзированию (OGLE), проводимый Варшавским университетом в Польше, и обзор наблюдений микролинзирования в астрофизике (MOA), проводимый исследователями из Новой Зеландии и Япония.
В июне 2011 года эти два исследования обнаружили нечто примечательное: внезапно вспыхнувшая звезда на расстоянии 20 000 световых лет от нас в направлении плотно упакованной галактической выпуклости в центре Млечного Пути. Могло ли это быть событием микролинзирования блуждающей чёрной дыры?
С помощью космического телескопа Хаббл Кайлаш Саху из Научного института космического телескопа в Балтиморе, ведущий автор препринта arXiv и его коллеги увеличили масштаб звезды в течение нескольких недель после того, как она стала яркой, а затем возвращались к ней снова и снова в течение следующих шести лет.
Они смогли подтвердить, что свет звезды был увеличен, что указывало на присутствие невидимого линзирующего объекта, но они обнаружили кое-что ещё более важное.
Видимое положение звезды в космосе сместилось на ничтожную величину. Эффект был в 1000 раз меньше, чем то, что измерил Эддингтон и был близок к пределу возможностей Хаббла. Что-то скрытое усилило и исказило свет звезды.
Невидимая чёрная дыра в 7,1 раза больше массы Солнца.
Не было никаких других вариантов, кроме чёрной дыры. Две вещи были необходимы, чтобы подтвердить, что это так. Первым критерием было отсутствие света, исходящего от линзы, для исключения более прозаических объектов, таких как неудавшаяся звезда, известная как коричневый карлик. Во-вторых, эффект увеличения должен иметь большую продолжительность, учитывая обширный размер гравитационной сферы влияния чёрной дыры. Июньское событие 2011 года, продолжавшееся около 300 дней, отвечало всем требованиям.
Величина линзирования и отклонения света от звезды позволила Саху и его сотрудникам установить, что масса предполагаемой чёрной дыры составляет немногим более семи масс Солнца. По словам Озеля, это помещает её «посередине» того, что ожидалось от чёрных дыр звёздной массы. Команда также смогла рассчитать её скорость. «Она движется со скоростью около 45 километров в секунду, — говорит Саху. Это относительно быстро по сравнению с ближайшими звёздами — именно этого можно было бы ожидать, если бы чёрная дыра получила удар от умирающей массивной звезды. Неясно, когда это событие должно было произойти, но «может быть где-то около 100 миллионов лет назад», — говорит Саху. «Мы не можем точно сказать, потому что не знаем, откуда именно она взялась».
Фото: versiya.info
Однако это не первый наблюдательный намёк на микролинзирование от блуждающих чёрных дыр; несколько других кандидатов предшествуют этому.
Что сейчас отличается, так это успешное измерение гравитационного отклонения света звезды линзирующим объектом, а не простое его усиление, что позволяет окончательно предположить массу линзирующего объекта и, следовательно, его истинную природу.
Масса этой чёрной дыры служит ещё одним доказательством того, что модели формирования астрофизиков верны — что одиночные чёрные дыры могут возникать из пепла особенно массивных звёздных прародителей. Однако возможно, что эти чёрные дыры также могут образовываться в бинарных системах, прежде чем стать кочевниками в пустоте. Для этого конкретного объекта невозможно с уверенностью сказать, какая у него история происхождения. Однако, несомненно то, что обнаружение более изолированных чёрных дыр позволит исследователям изучить и уточнить эти модели более подробно.
«Мы никогда не могли изучать чёрные дыры, которые существуют сами по себе», — говорит Озель. «Итак, этот новый способ их обнаружения и возможность определить их массу, безусловно, захватывающий. Они формируются по-разному? Отличается ли их массовое распределение?» Ответы на такие вопросы могут появиться довольно скоро.
Телескоп Gaia Европейского космического агентства в настоящее время составляет карту положения миллиардов звёзд в Млечном Пути. В 2025 году учёные, участвующие в проекте, опубликуют данные своих наблюдений, которые, как ожидается, будут содержать доказательства того, что вокруг нашей галактики летает гораздо больше одиночных чёрных дыр. «Данные Gaia будут такого же или даже лучшего качества, чем данные Хаббла», — говорит Лукаш Выжиковски из Варшавского университета, соавтор последней статьи об открытии, который также охотится за блуждающими чёрными дырами вместе с Gaia. Предстоящие данные объективирования, по его оценке, будут содержать десятки дополнительных объектов.
Обсерватория Веры С. Рубин в Чили, которая должна начать 10-летнее исследование ночного неба в следующем году, также, как ожидается, соберёт свой собственный урожай блуждающих чёрных дыр, как и космический телескоп НАСА Нэнси Грейс Рим, настроенный на запуск в 2027 году. И у Рубин, и у Роман очень широкое поле зрения, позволяющее каждому запечатлеть панорамные виды, заполненные звёздами, в которых должно скрываться огромное количество свободно движущихся чёрных дыр.
На данный момент это мрачное открытие предсказывает светлое будущее поиска. Блуждающие сверхмассивные чёрные дыры, предсказанные давно, но подтверждённые наблюдениями только сейчас, вполне могут быть достаточно распространены в нашей галактике, чтобы подтверждать демографические исследования их популяции.
Определение их истинного количества, массы и других свойств может укрепить всё ещё неполные теории звёздной эволюции или выявить новые важные пробелы в понимании. «Мы ждали этого открытия много-много лет, — говорит Выжиковски. «Это показывает, что данный метод работает. Гравитационное микролинзирование — это способ найти изолированные чёрные дыры».