Відкрито дивний об’єкт: найлегша чорна діра чи найважча нейтронна зірка?

У розрахунках і даних спостережень за чорними дірками є помітний розрив: виявлені астрономами чорні дірки значно масивніші за теоретичну нижню межу мас подібних тіл. І ось вчені знайшли систему з пульсара та об’єкта-компаньйона, який саме потрапляє у цей «провал мас».

Астрономи шукають системи з масивних об’єктів — нейтронних зірок, білих карликів та чорних дірок — щоб протестувати теорії гравітації. Найкраще місце для пошуку таких об’єктів — кульові зоряні скупчення.

Щільність зірок у центрі подібних скупчень досить висока, тому тіла там частіше зустрічаються та взаємодіють. Зокрема, нейтронні зірки підхоплюють маломасивні зірки головної послідовності і «висмоктують» їхню матерію, накопичуючи масу. Так з’являються маломасивні рентгенівські подвійні зірки, одним з об’єктів яких стає мілісекундний пульсар, нейтронна зірка, що швидко обертається. Саме на таких системах вчені тестують теорію гравітації.

Під час пошуку подібних об’єктів у кульових зоряних скупченнях за допомогою радіотелескопа MeerKAT (Південна Африка) астрономи виявили у NGC 1851 у сузір’ї Голуб 13 мілісекундних пульсарів, у тому числі у складі трьох масивних подвійних зірок. Компаньйон однієї з них – PSR J0514-4002E – зацікавив вчених своєю масою. Про відкриття вони розповіли в журналі Science.

Якби компаньйон був зіркою головної послідовності, його було видно в оптичному діапазоні. Але у спостереженнях «Хаббла» відповідний об’єкт знайти не вдалося. Виходить, він має бути дуже компактним. Проаналізувавши «тикання» пульсара і розрахувавши його рух, автори дослідження дійшли висновку, що маса компаньйона — від 2,09 до 2,71 сонячної маси.

Це більше, ніж у найбільших пульсарів, чию масу вдалося точно виміряти: PSR J0740+6620 (2,08 сонячної маси) та PSR J0348+0432 (2,01 сонячної маси). І менше найменших чорних дірок (близько п’яти сонячних мас), виявлених у складі подвійних систем. Тобто цей об’єкт перебуває у «провалі мас» чорних дірок — розриві між даними спостережень та теоретичною мінімальною масою чорної діри (2,2 сонячної маси), що утворилася при колапсі нейтронної зірки.

За словами вчених, судячи з становища у щільному кульовому скупченні, ексцентричності орбіти, швидкому обертанні пульсара та великої маси компаньйона, система PSR J0514-4002E – продукт «вторинної зустрічі». Автори статті припустили, що пульсар розкрутився, поглинувши матерію свого першого «сусіда», а вже потім зустрівся із нинішнім масивним компаньйоном.

Новий компаньйон, судячи з маси, міг утворитися у злитті подвійної нейтронної зірки або нейтронної зірки та чорної дірки. Через аналіз гравітаційних хвиль астрономам відомо кілька таких подій, і маса приятеля збігається з оцінкою мас учасників тих злиттів (GW190814, GW191917 та GW200210).

На жаль, за непрямими даними на зразок обертання пульсара і траєкторії його орбіти (тут не вистачає точності вимірювань) неможливо точно визначити, чи є компаньйон найпотужнішою нейтронною зіркою з відомих або найменшою чорною діркою з «провалу мас».

Якщо вдасться підтвердити, що цей об’єкт складається з радіопульсара та чорної діри, PSR J0514-4002E стане першою подібною системою за історію спостережень. І це буде свято для астрофізиків, тому що така пара дозволить протестувати Загальну теорію відносності.