Джонатан О'Каллаган 3 февраля 2022 года
Весящий в семь раз больше массы нашего Солнца, темный объект, безусловно, 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 запечатлеть однуиз них. Тем временем исследователи теперь регулярно обнаруживают гравитационные волны, распространяющиеся по Вселенной от меньших сливающихся черных дыр. Ближе к дому мы стали свидетелями впечатляющего небесного фейерверка, когда собственная сверхмассивная черная дыра Млечного Пути и ее более миниатюрные родственники питаются газовыми облаками или даже целыми звездами. Однако никогда раньше мы не видели давно предсказанного явления: изолированная черная дыра, бесцельно дрейфующая в пространстве, рожденная и выброшенная из коллапсирующего ядра массивной звезды.
До сих пор.
Ученые объявили о первом в истории однозначном открытии свободно плавающей черной дыры, странствующего странника в пустоте примерно в 5000 световых годах от Земли. Результат, появившийся 31 января на сервере препринтов arXiv но еще не прошел рецензирование, представляет собой кульминацию более чем десятилетнего пламенного поиска. “Это супер захватывающе", - 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 обнаружат еще десятки или даже сотни темных, одиноких путешественников. “Это верхушка айсберга”,-говорит Карим Эль-Бадри из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, который не принимал участия 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, что это верно во время полного солнечного затмения, когда блики солнца были сведены к минимуму, так что можно было видеть фоновые звезды, расположенные рядом с ним на небе. Используя метод, известный как астрометрия, он тщательно отметил положение этих звезд до и во время затмения, обнаружив незначительные изменения в их видимом местоположении на небе из-за того, что их свет искажается значительным гравитационным притяжением нашей звезды. “Видимое положение звезд немного изменилось”, - говорит Ферьял Озель из Аризонского университета, который также не участвовал в работе.
В последующие десятилетия ученые нашли новое применение этой технике. Звезды, масса которых примерно в 20 раз превышает массу нашего Солнца, должны образовывать черные дыры в конце своей жизни, когда их тяжелые ядра разрушаются под собственным весом после исчерпания их термоядерного топлива. Рождение такой черной дыры звездной массы-сферы размером с город, содержащей массу, в десятки раз превышающую массу нашего Солнца,—часто сопровождается яркой сверхновой из-за огромных энергий, высвобождаемых при коллапсе ядра. Эти силы могут быть настолько велики, что иногда выбрасывают новорожденную черную дыру прямо из ее чрева в бесконечный межзвездный круиз. Эта космическая жажда странствий—плюс небольшие размеры черных дыр и присущая им темнота—должны сделать их почти невозможными для наблюдения. Однако работа Эддингтона предполагала, что этих изгоев можно обнаружить, наблюдая за их эффектами линзирования—обычно это характерное временное 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, по прогнозам, миллионы черных дыр звездной массы будут дрейфовать по нашей галактике, некоторые из них могут появиться при достаточно широких и глубоких обзорах неба.
В настоящее время несколько проектов занимаются поиском этих и других так называемых событий микролинзирования, включая Эксперимент по оптическому гравитационному линзированию (OGLE), проводимый Варшавским университетом в Польше, и исследование наблюдений за микролинзированием в астрофизике (MOA), проводимое исследователями в Новой Зеландии и Японии. В июне 2011 года эти два исследования заметили нечто примечательное: внезапно светлеющую звезду на расстоянии 20 000 световых лет от плотно упакованной галактической выпуклости в центре Млечного Пути. Могло ли это быть событием микролинзирования из-за неуправляемой черной дыры? Астрономы бросились выяснять это.
Среди них был Кайлаш Саху из Научного института космических телескопов в Балтиморе, ведущий автор препринта arXiv, подробно описывающего открытие объекта. Используя космический телескоп Хаббла, он и его коллеги увеличили изображение звезды в течение нескольких недель после ее осветления, а затем возвращались к ней снова и снова в течение следующих шести лет. Они смогли подтвердить, что свет звезды был увеличен, указывая на присутствие невидимого линзирующего объекта, но они обнаружили кое-что еще более важное. Видимое положение звезды в пространстве изменилось на ничтожно малую величину. Эффект был “в 1000 раз меньше, чем измерял Эддингтон”, - говорит Саху, и был близок к пределам возможностей Хаббла. Что-то скрытое усилило и исказило свет звезды. Лучший кандидат? Невидимая черная дыра звездной массы, в 7,1 раза превышающая массу нашего Солнца.
“Не было никакой другой возможности, кроме черной дыры”, - говорит Саху. Для подтверждения этого требовались две вещи. “Первым критерием было отсутствие света, исходящего от линзы”, - говорит Саху, чтобы исключить более прозаичные объекты, такие как неудавшаяся звезда, известная как коричневый карлик. Во-вторых, эффект увеличения должен был иметь длительную продолжительность, учитывая огромные размеры гравитационной сферы влияния черной дыры. Длившееся около 300 дней событие в июне 2011 года соответствовало всем требованиям. “Это довольно тщательный и тщательный анализ”,-говорит Эль-Бадри. “Они проявили должную осмотрительность”.
Затем количество линз и отклонение света от звезды позволили Саху и его сотрудникам определить предполагаемую массу черной дыры чуть более семи солнечных масс. Это ставит его “прямо посередине” того, что мы ожидали бы от черных дыр звездной массы, говорит Озель. Команда также смогла рассчитать свою 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 бы произошло это событие, но оно “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 черных дыр с неуправляемой звездной массой; несколько других кандидатов предшествовали этому. Что отличается сейчас, так это успешное измерение гравитационного отклонения объекта линзирования света звезды, а не его простое усиление, позволяющее окончательно предположить массу объекта линзирования—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 Годдарда НАСА, соавтор с Саху и другими в статье об открытии. “Этот метод лучше всего использовать для изолированных черных дыр звездной массы. Это первая попытка сделать это. Все черные дыры, которые были найдены раньше, были найдены, потому что они не изолирован.”
Масса этой черной дыры является еще одним доказательством того, что модели формирования астрофизиков верны—что одиночные черные дыры могут восстать из пепла особенно крупных звездных прародителей. Однако возможно, что эти черные дыры также могут образовываться в двойных системах, прежде чем превратиться в кочевников 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 исследовать 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 поиска и определения их массы, безусловно, увлекателен. Формируются ли они по-другому? 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 проекта опубликуют данные линзирования из своих наблюдений, которые, как ожидается, будут содержать доказательства того, что вокруг нашей галактики вращается гораздо больше синглетов звездной массы. “Данные Gaia будут аналогичного или даже лучшего качества, чем у Хаббла”,-говорит Лукаш Выржиковский из Варшавского университета, соавтор этой последней статьи об открытии, который также занимается поиском черных дыр-изгоев с Геей. По его оценкам, предстоящие данные о линзировании будут содержать десятки дополнительных кандидатов.
Обсерватория Веры С. Рубин в Чили, которая в следующем году планирует начать 10-летнее исследование ночного неба, также, как ожидается, соберет свой собственный урожай черных дыр-изгоев, как и космический телескоп НАСА "Нэнси Грейс Роман", запуск которого запланирован на 2027 год. Как у Рубина, так и у Романа очень широкие поля зрения, позволяющие каждому из них запечатлеть панорамные виды, заполненные звездами, в которых должно скрываться огромное количество свободно плавающих черных дыр. “Ожидается, что эти данные будут там”,-говорит Эль-Бадри. “Есть надежда, что [Рубин и Роман] смогут измерить этот астрометрический сдвиг для многих [звезд]”.
На данный момент это мрачное открытие предсказывает светлое будущее для поиска. Черные дыры-изгои звездной массы, давно предсказанные, но только сейчас подтвержденные наблюдениями, вполне могут быть достаточно распространены в нашей галактике, чтобы поддержать демографические исследования их населения. Определение их истинного изобилия, массы и других свойств может укрепить наши все еще неполные теории звездной эволюции-или выявить важные новые пробелы в нашем понимании. “Мы ждали этого открытия много-много лет”, - говорит Выржиковский. “Это показывает, что этот метод работает. Гравитационное микролинзирование-это способ найти эти изолированные черные дыры".
