Пухнасте скупчення зірок, що розливається по небу, може ховати у своєму серці таємницю: рій із понад 100 чорних дір зоряної маси. Зоряне скупчення, про яке йде мова, називається Паломар 5. Це зоряний потік, який простягається на 30 000 світлових років і знаходиться на відстані приблизно 80 000 світлових років. Такі кульові скупчення часто вважають «скам’янілостями» раннього Всесвіту. Вони дуже щільні та сферичні, зазвичай містять приблизно від 100 000 до 1 мільйона дуже старих зірок; деякі, як-от NGC 6397, майже такі ж старі, як сам Всесвіт.
У будь-якому кульовому скупченні всі його зірки утворилися одночасно з однієї хмари газу. У Чумацькому Шляху відомо понад 150 кульових скупчень; ці об’єкти є чудовими інструментами для вивчення, наприклад, історії Всесвіту або вмісту темної матерії в галактиках, навколо яких вони обертаються. Але є інший тип груп зірок, який привертає більше уваги – приливні потоки, довгі ріки зірок, які простягаються по небу. Раніше їх було важко ідентифікувати, але завдяки даним космічної обсерваторії Gaia, які з високою точністю склали карту Чумацького Шляху в трьох вимірах, було виявлено більше цих потоків.
«Ми не знаємо, як утворюються ці потоки, але одна ідея полягає в тому, що вони є розірваними зоряними скупченнями», — пояснив астрофізик Марк Гілес з Університету Барселони в Іспанії у 2021 році, коли дослідники вперше оголосили про відкриття. «Однак жоден із нещодавно відкритих потоків не має пов’язаного з ним зоряного скупчення, тому ми не можемо бути впевнені. Отже, щоб зрозуміти, як утворилися ці потоки, нам потрібно вивчити один із пов’язаною з ним зоряною системою. Паломар 5 — це єдиний випадок, що робить його Розеттським каменем для розуміння формування потоку, і тому ми детально його вивчили».
Palomar 5 виглядає унікальним у тому, що він має як дуже широкий, нещільний розподіл зірок, так і довгий приливний потік, що охоплює понад 20 градусів неба, тому Гілес і його команда зосередилися на ньому. Команда використала детальне моделювання N-тіл, щоб відтворити орбіти та еволюцію кожної зірки в скупченні, щоб побачити, як вони могли опинитися там, де вони є сьогодні. Оскільки останні дані свідчать про те, що популяції чорних дір можуть існувати в центральних областях кульових скупчень, і оскільки, як відомо, гравітаційна взаємодія з чорними дірами змушує зірки розбігатися, вчені включили чорні діри в деякі зі своїх моделювань.
Їх результати показали, що популяція чорних дір зоряної маси всередині Паломар 5 могла призвести до конфігурації, яку ми бачимо сьогодні. Орбітальна взаємодія викинула б зірки зі скупчення в приливний потік, але лише зі значно більшою кількістю чорних дір, ніж передбачалося. Зірки, що виходять зі скупчення ефективніше й легше, ніж чорні діри, змінили б пропорцію чорних дір, значно збільшивши її.
«Кількість чорних дір приблизно втричі перевищує очікувану кількість зірок у скупченні, і це означає, що понад 20 відсотків загальної маси скупчення складається з чорних дір», — сказав Гілес. «Кожна з них має масу приблизно у 20 разів більшу за масу Сонця, і вони утворилися під час вибухів наднових наприкінці життя масивних зірок, коли скупчення було ще дуже молодим».
Приблизно через мільярд років, як показало моделювання команди, кластер повністю розчиниться. Незадовго до того, як це станеться, те, що залишиться від скупчення, повністю складатиметься з чорних дір, які обертатимуться навколо галактичного центру. Це свідчить про те, що Паломар 5 не є унікальним, адже він повністю розчиниться в зоряному потоці, як і інші, які ми виявили.
Це також припускає, що інші кульові скупчення, ймовірно, розділять ту ж долю, зрештою. І це є підтвердженням того, що кульові скупчення можуть бути чудовим місцем для пошуку чорних дір, які врешті-решт зіткнуться, а також невловимого класу чорних дір середньої ваги, між легковаговиками зіркової маси та надмасивними.
«Вважається, що велика частка злиття подвійних чорних дір утворюється в зоряних скупченнях», — сказав астрофізик Фабіо Антоніні з Кардіффського університету у Великобританії. «Великим невідомим у цьому сценарії є кількість чорних дір у скупченнях, що важко обмежити спостереженнями, оскільки ми не можемо побачити чорні діри. Наш метод дає нам спосіб дізнатися, скільки чорних дір є в зоряному скупченні, дивлячись на зірки, які вони викидають». Дослідження опубліковано в Nature Astronomy.