Gaia відкриває нове сімейство чорних дір

Використовуючи дані місії ESA Gaia, астрономи виявили не тільки найближчу до Землі, але й другу найближчу чорну діру. Чорні діри, Gaia BH1 і Gaia BH2, розташовані відповідно лише за 1560 світлових років від нас у напрямку сузір’я Змієносця та за 3800 світлових років від нас у сузір’ї Центавра. У галактичних термінах ці чорні діри знаходяться на нашому космічному задньому дворі.

Дві чорні діри були виявлені шляхом вивчення руху їхніх зірок-компаньйонів. Дивне «коливання» в русі зірок на небі свідчило про те, що вони обертаються навколо дуже масивного об’єкта. В обох випадках об’єкти приблизно в десять разів масивніші за наше Сонце. Інші пояснення цих масивних компаньйонів, як-от системи подвійних зірок, були виключені, оскільки вони, здається, не випромінюють жодного світла.

Донедавна всі чорні діри, про які знали астрономи, були відкриті за допомогою випромінювання світла — зазвичай рентгенівського та радіохвиль — у результаті падіння матеріалу. Нові чорні діри справді чорні, і їх можна виявити лише за ефектом гравітації. Відстань від зірок до чорної діри та орбіти зірок навколо них набагато довші, ніж для інших відомих подвійних систем чорних дір і зірок. Ті ближчі пари зірка-чорна діра, які називаються рентгенівськими подвійними системами, мають тенденцію бути дуже яскравими в рентгенівському та радіосвітлі, і тому їх легше знайти. Але нові відкриття показують, що чорні діри в більш широких подвійних системах зустрічаються частіше.

«Що відрізняє цю нову групу чорних дір від тих, про які ми вже знали, це їхня велика віддаленість від зірок-супутників. Ці чорні діри, ймовірно, мають зовсім іншу історію формування, ніж рентгенівські подвійні системи», — пояснює Карім Ель-Бадрі, відкривач нових чорних дір і дослідник Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики в США та Інституту астрономії Макса Планка в Гейдельберзі, Німеччина. Дослідження опубліковано в журналі Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Рух мільярдів зірок

Чорні діри були виявлені за допомогою даних Gaia. Gaia точно вимірює положення та рух мільярдів зірок. Рух зірок проти неба може дати важливі підказки про об’єкти, які гравітаційно впливають на ці зірки. Ці об’єкти можуть включати інші зірки, екзопланети, а також чорні діри.

«Точність даних Gaia була важливою для цього відкриття. Чорні діри були знайдені шляхом виявлення крихітних коливань її зірки-компаньйона під час обертання навколо неї. Жоден інший інструмент не здатний на такі вимірювання», — каже Тімо Прусті, науковий співробітник проекту Gaia ESA.

Gaia забезпечила точні вимірювання руху в трьох напрямках, але щоб точніше зрозуміти, як зірки віддаляються та до нас, потрібні були додаткові вимірювання радіальної швидкості. Наземні обсерваторії надали їх для щойно знайдених чорних дір, і це дало остаточну підказку для висновку, що астрономи виявили чорні діри.

Невидимі чорні діри

Чорні діри часто не зовсім невидимі. Коли матеріал падає на них, вони можуть випромінювати радіо та рентгенівське світло. Для другої чорної діри Gaia рентгенівська обсерваторія Чандра NASA та наземний радіотелескоп MeerKAT у Південній Африці шукали це світло, але вони не змогли помітити жодного сигналу.

«Хоч ми нічого не виявили, ця інформація є неймовірно цінною, оскільки вона говорить нам багато про навколишнє середовище навколо чорної діри. Від зірки-компаньйона у вигляді зоряного вітру відходить багато частинок. Але оскільки ми цього не зробили, побачити будь-яке радіосвітло, яке говорить нам, що чорна діра не є великим пожирачом і небагато частинок перетинають її горизонт подій. Ми не знаємо, чому це так, але ми хочемо з’ясувати», – каже Іветт Сендес, яка допомогла відкрити друга чорна діра і є астрономом у Гарвардсько-Смітсонівському центрі астрофізики в США.

Новий тип чорної діри не випромінює світла, що робить їх практично невидимими, ймовірно, через те, що вони знаходяться набагато далі від зірок-компаньйонів. Gaia BH1 і Gaia BH2 мають найбільше рознесених орбіт з усіх відомих чорних дір. Той факт, що вони також є найближчими відомими чорними дірами до Землі, говорить про те, що багато інших подібних чорних дір у широких подвійних системах все ще чекають свого відкриття.

«Це дуже захоплююче, тому що тепер це означає, що ці чорні діри на широких орбітах насправді звичайні в космосі — частіше, ніж подвійні системи, де чорна діра та зірка знаходяться ближче. Але проблема полягає в тому, щоб їх виявити. Хороша новина полягає в тому, що Гея все ще збирання даних, і його наступна публікація даних (у 2025 році) міститиме набагато більше цих зірок із таємничими супутниками чорної діри», — пояснює Іветт.

Наступний випуск даних Gaia базуватиметься на 66-місячних спостереженнях і міститиме покращену інформацію про орбіти зірок. Тим часом астрономи будуть зайняті з’ясуванням того, звідки беруться ці чорні діри на широких орбітах.

Карім Ель-Бадрі зазначає: «Ми підозрювали, що чорні діри можуть існувати в більш широких системах, але ми не були впевнені, як вони утворилися. Їх відкриття означає, що ми повинні адаптувати наші теорії про еволюцію подвійних зоряних систем, як вона є. поки не зрозуміло, як ці системи формуються».

«Консорціум Gaia Data Processing and Analysis Consortium розробляє методи ідентифікації астрометричних подвійних систем із компактними компаньйонами. Ми очікуємо надати хорошу вибірку кандидатів у наступному випуску даних Gaia», — каже член команди Цеві Мазе з Тель-Авівського університету. Наукова спільнота сподівається на подальше розширення цієї нової популяції сплячих чорних дір.