Этот темный объект, весящий в семь раз больше массы нашего Солнца, на сегодняшний день является лучшим кандидатом на роль свободно плавающей черной дыры звездной массы.
Это время бума для астрономов, охотящихся за черными дырами. Самые большие из них — сверхмассивные черные дыры, которые могут весить миллиарды солнц — были обнаружены в центрах почти каждой галактики, и нам даже удалось сфотографировать одну из них . Между тем, исследователи теперь регулярно обнаруживают гравитационные волны, распространяющиеся по Вселенной от сливающихся черных дыр меньшего размера . Ближе к дому мы стали свидетелями впечатляющего небесного фейерверка, когда собственная сверхмассивная черная дыра Млечного Пути и ее более миниатюрные собратья питаются газовыми облаками или даже целыми звездами . Однако никогда раньше мы не видели давно предсказанного явления: изолированная черная дыра, бесцельно дрейфующая в космосе, рождающаяся и выбрасываемая из коллапсирующего ядра массивной звезды.
До сих пор.
Ученые объявили о первом в истории недвусмысленном открытии свободно плавающей черной дыры, блуждающей в пустоте примерно в 5000 световых лет от Земли. Результат, появившийся 31 января на сервере препринтов arXiv, но еще 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 черные дыры существуют». Это открытие может быть только началом; Ожидается, что текущие исследования и предстоящие миссии найдут еще десятки или даже сотни темных, одиноких путешественников. «Это верхушка айсберга», — говорит Карим Эль-Бадри из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, не участвовавший в работе.
В 1919 году британский астроном Артур Стэнли Эддингтон провел знаменитый эксперимент. Теории специальной и общей теории относительности Эйнштейна постулировали, что массивные объекты должны вызывать вмятину в пространстве-времени, искривляя близлежащие лучи света в процессе, известном как гравитационное линзирование. Эддингтон доказал это во время полного солнечного затмения, когда яркость солнца была сведена к минимуму, так что можно было увидеть фоновые звезды, соседние с ним на небе. Используя технику, известную как астрометрия, он тщательно отметил положения этих звезд 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. «Видимое положение звезд немного сдвинулось», — говорит Ферьял Озель из Аризонского университета, который также не принимал участия в работе.
В последующие десятилетия ученые нашли новое применение этой технике. Звезды, масса которых более чем в 20 раз превышает массу нашего Солнца, должны образовывать черные дыры в конце своей жизни, когда их тяжелые ядра коллапсируют под собственным весом после истощения их термоядерного топлива. Рождение такой черной дыры звездной массы — сферы размером с город, масса которой в десятки раз превышает массу нашего Солнца — часто сопровождается яркой сверхновой из-за огромных энергий, высвобождаемых при коллапсе ядра. Эти силы могут быть настолько велики, что иногда они выбрасывают новорожденную черную дыру прямо из ее чрева в бесконечном межзвездном путешествии. Эта космическая тяга к путешествиям, а также небольшие размеры черных дыр и присущая им темнота должны сделать их почти невозможными для наблюдения. Работа Эддингтона, однако, предположил, что этих изгоев можно найти, наблюдая за их линзирующими эффектами — как правило, предательское кратковременное осветление любых фоновых звезд, через которые черные дыры пролетают в нашем поле зрения. Шансы увидеть такое событие для изолированной черной дыры были невелики, но, учитывая, что миллионы черных дыр звездной массы дрейфуют по нашей галактике, некоторые из них могут обнаружиться при достаточно широком и глубоком обзоре неба.
Поиск этих и других событий так называемого микролинзирования в настоящее время осуществляется несколькими проектами, в том числе экспериментом по оптическому гравитационному линзированию (OGLE), проводимым Варшавским университетом в Польше, и исследованием наблюдений микролинзирования в астрофизике (MOA), проводимым 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 черной дыры-изгоя? Астрономы бросились выяснять.
Среди них был Кайлаш Саху из Научного института космического телескопа в Балтиморе, ведущий автор препринта arXiv, подробно описывающего открытие объекта. С помощью космического телескопа Хаббл он 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 еще более важное. Видимое положение звезды в космосе сместилось на ничтожную величину. Эффект был «в 1000 раз меньше, чем измерял Эддингтон», говорит Саху, и был близок к пределу возможностей Хаббла. Что-то скрытое усилило и исказило свет звезды. Лучший кандидат? Невидимая черная дыра звездной массы, в 7,1 раза больше массы нашего Солнца.
«Не было никакой другой возможности, кроме черной дыры», — говорит Саху. Две вещи были необходимы, чтобы подтвердить, что это так. «Первым критерием было отсутствие света, исходящего от линзы», — говорит Саху, чтобы исключить более прозаические объекты, такие как неудавшаяся звезда, известная как коричневый карлик. Во-вторых, эффект увеличения должен иметь большую продолжительность, учитывая обширный размер гравитационной сферы влияния черной дыры. Июньское событие 2011 года, продолжавшееся около 300 дней, отвечало всем требованиям. «Это довольно тщательный и тщательный анализ, — говорит Эль-Бадри. «Они провели должную осмотрительность».
Величина линзирования и отклонения света от звезды позволила Саху и его сотрудникам установить, что масса предполагаемой черной дыры составляет немногим более семи масс Солнца. По словам Озеля, это помещает его «посередине» того, что мы ожидаем от черных дыр звездной массы. Команда также смогла рассчитать его скорость. «Он движется со скоростью около 45 километров в секунду, — говорит Саху. Это относительно быстро по сравнению с ближайшими звездами — именно этого можно было бы ожидать, если бы черная 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 он взялся».
Однако это не первый наблюдательный намек на микролинзирование от блуждающих черных дыр звездной массы; 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. «Раньше были обнаружены кандидаты в черные дыры, но у них не было этих астрометрических измерений», — говорит Дэвид Беннетт из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА, соавтор с Саху и другими в статье об открытии. «Этот метод лучше всего подходит для исследования изолированных черных дыр звездной массы. Это первая попытка сделать это. Все черные дыры, которые были обнаружены ранее, были обнаружены, потому что онине изолированы».
Масса этой черной дыры служит еще одним доказательством того, что модели формирования астрофизиков верны — что одиночные черные дыры могут возникать из пепла особенно массивных звездных прародителей. Однако возможно, что эти черные дыры также могут образовываться в бинарных системах, прежде чем стать кочевниками в пустоте. Для этого конкретного объекта невозможно с уверенностью сказать, какая история происхождения произошла. Однако несомненно то, что обнаружение более изолированных черных дыр позволит исследователям изучить и уточнить эти модели более подробно. «Мы никогда не могли изучать черные 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 звезд в нашем Млечном Пути. В 2025 году ученые, участвующие в проекте, опубликуют данные своих наблюдений, которые, как ожидается, будут содержать доказательства того, что вокруг нашей галактики летает гораздо больше одиночек звездной массы. «Данные Gaia будут такого же или даже лучшего качества, чем данные Хаббла», — говорит Лукаш Выжиковски из Варшавского университета, соавтор этой последней статьи об открытии, который также охотится за черными дырами-изгоями вместе с Gaia. Предстоящие данные объективирования, по его оценке, будут содержать десятки дополнительных кандидатов.
Обсерватория Веры С. Рубин в Чили, которая должна начать 10-летнее исследование ночного неба в следующем году, также, как ожидается, соберет свой собственный урожай черных дыр-изгоев, как и космический телескоп НАСА Нэнси Грейс Рим, настроенный на запуск в 2027 году. И у Рубина, и у Романа очень широкое поле зрения, позволяющее каждому запечатлеть панорамные виды, заполненные звездами, в которых должно скрываться огромное количество свободно плавающих черных дыр. «Ожидается, что эти данные будут там», — говорит Эль-Бадри. «Мы надеемся, что [Рубин и Роман] смогут измерить этот астрометрический сдвиг для многих [звезд]».
На данный момент это мрачное открытие предсказывает светлое будущее поиска. Бродячие черные дыры звездной массы, предсказанные давно, но подтвержденные наблюдениями только сейчас, вполне могут быть достаточно распространены в нашей галактике, чтобы подтверждать демографические исследования их населения. Определение их истинного количества, массы и других свойств может укрепить наши все еще неполные теории звездной эволюции или выявить новые важные пробелы в нашем понимании. «Мы ждали этого открытия много-много лет, — говорит Выжиковски. «Это показывает, что этот метод работает. Гравитационное микролинзирование — это способ найти эти изолированные черные дыры».