По оценкам астрономов, среди звезд нашей галактики Млечный Путь бродят 100 миллионов черных дыр, но они так и не смогли окончательно идентифицировать изолированную черную дыру. После шести лет тщательных наблюдений космический телескоп «Хаббл» НАСА/ЕКА впервые предоставил прямые доказательства существования одинокой черной дыры, дрейфующей в межзвездном пространстве, посредством точного измерения массы фантомного объекта. До сих пор все массы черных дыр определялись статистически или посредством взаимодействий в двойных системах или в ядрах галактик. Черные дыры звездной массы обычно встречаются со звездами-компаньонами, что делает этот случай необычным.
Недавно обнаруженная блуждающая черная дыра находится примерно в 5000 световых лет от нас, в спиральном рукаве Киля-Стрельца нашей галактики. Однако ее открытие позволяет астрономам оценить, что ближайшая к Земле изолированная черная дыра звездной массы может находиться на расстоянии 80 световых лет от нас. Ближайшая к нашей Солнечной системе звезда, Проксима Центавра, находится на расстоянии чуть более 4 световых лет.
Черные дыры, блуждающие по нашей галактике, рождаются из редких чудовищных звезд (менее одной тысячной звездного населения галактики), которые по меньшей мере в 20 раз массивнее нашего Солнца. Эти звезды взрываются как сверхновые, а остатки ядра под действием гравитации сдавливаются в черную дыру. Поскольку само детонация не является идеально симметричной, черная дыра может получить толчок и полететь через нашу галактику, как взорвавшееся пушечное ядро.
Телескопы не могут сфотографировать своенравную черную дыру, потому что она не излучает никакого света. Однако черная дыра искажает пространство, которое затем отклоняет и усиливает звездный свет от всего, что на мгновение выстраивается точно позади нее.
Наземные телескопы, которые следят за яркостью миллионов звезд в богатых звездных полях в направлении центральной выпуклости нашего Млечного Пути, ищут предательское внезапное увеличение яркости одной из них, когда массивный объект проходит между нами и звездой. Затем Хаббл следит за наиболее интересными такими событиями.
Две команды использовали данные Хаббла в своих исследованиях: одну возглавлял Кайлаш Саху из Научного института космического телескопа в Балтиморе, штат Мэриленд; а другой — Кейси Лэм из Калифорнийского университета в Беркли. Результаты команд немного различаются, но обе предполагают наличие компактного объекта.
Деформация пространства из-за гравитации объекта переднего плана, проходящего перед звездой, находящейся далеко позади него, на мгновение изгибает и усиливает свет фоновой звезды, когда она проходит перед ней. Астрономы используют явление, называемое гравитационным микролинзированием, для изучения звезд и экзопланет в примерно 30 000 событий, наблюдаемых до сих пор внутри нашей галактики.
Подпись черной дыры на переднем плане выделяется как уникальная среди других событий микролинзирования. Очень сильная гравитация черной дыры растянет продолжительность события линзирования более чем на 200 дней. Кроме того, если бы промежуточный объект был звездой на переднем плане, это вызвало бы временное изменение цвета звездного света, измеренное, потому что свет от звезд переднего и заднего плана на мгновение смешался бы вместе. Но в случае с черной дырой не было замечено никакого изменения цвета.
Затем Хаббл был использован для измерения величины отклонения изображения фоновой звезды черной дырой. Хаббл способен на исключительную точность, необходимую для таких измерений. Изображение звезды было смещено от обычного положения примерно на миллисекунду дуги. Это эквивалентно измерению роста взрослого человека, лежащего на поверхности Луны с Земли.
Этот метод астрометрического микролинзирования предоставил информацию о массе, расстоянии и скорости черной дыры. Величина отклонения из-за интенсивного искривления пространства черной дырой позволила команде Саху оценить, что она весит семь солнечных масс.
Команда Лама сообщает о несколько более низком диапазоне масс, а это означает, что объект может быть либо нейтронной звездой, либо черной дырой. По их оценкам, масса невидимого компактного объекта в 1,6–4,4 раза больше массы Солнца. В верхней части этого диапазона объект будет черной дырой; в нижней части это будет нейтронная звезда.
« Как бы нам ни хотелось сказать, что это определенно черная дыра, мы должны сообщить обо всех возможных решениях. Сюда входят как черные дыры с меньшей массой, так и, возможно, даже нейтронная звезда », — сказала Джессика Лу из команды Беркли.
«Что бы это ни было, этот объект — первый обнаруженный остаток темной звезды, блуждающий по галактике без сопровождения другой звезды», — добавил Лам.
Это было особенно сложным измерением для команды, потому что есть еще одна яркая звезда, которая находится очень близко по угловому удалению от звезды-источника. « Это похоже на попытку измерить крошечное движение светлячка рядом с яркой лампочкой», — сказал Саху. « Нам пришлось тщательно вычесть свет ближайшей яркой звезды, чтобы точно измерить отклонение слабого источника. ”
По оценкам команды Саху, изолированная черная дыра движется по галактике со скоростью 160 000 километров в час (достаточно быстро, чтобы добраться от Земли до Луны менее чем за три часа). Это быстрее, чем у большинства других соседних звезд в этой области нашей галактики.
« Астрометрическое микролинзирование концептуально просто, но с точки зрения наблюдений очень сложно», — сказал Саху. « Микролинзирование — единственный метод, доступный для идентификации изолированных черных дыр. Когда черная дыра прошла перед фоновой звездой, расположенной в галактической выпуклости на расстоянии 19 000 световых лет, свет звезды, идущий к Земле, усиливался в течение 270 дней, пока черная дыра проходила мимо. Однако потребовалось несколько лет наблюдений Хаббла, чтобы проследить, как положение звезды на заднем плане отклонялось из-за отклонения света черной дырой на переднем плане.
Существование черных дыр звездной массы было известно с начала 1970-х годов, но все измерения их массы — до сих пор — проводились в двойных звездных системах. Газ от звезды-компаньона попадает в черную дыру и нагревается до таких высоких температур, что испускает рентгеновское излучение. Массы около двух десятков черных дыр были измерены в рентгеновских двойных системах благодаря их гравитационному воздействию на своих компаньонов. Оценки массы колеблются от 5 до 20 солнечных масс. Черные дыры, обнаруженные в других галактиках гравитационными волнами от слияний черных дыр и объектов-компаньонов, имеют массу до 90 масс Солнца.
« Обнаружение изолированных черных дыр даст новое представление о популяции этих объектов в Млечном Пути», — сказал Саху. Он надеется, что его программа обнаружит больше свободно блуждающих черных дыр внутри нашей галактики. Но это поиск по иголке в стоге сена. Прогноз состоит в том, что только одно из нескольких сотен событий микролинзирования вызвано изолированными черными дырами.
В своей статье 1916 года по общей теории относительности Альберт Эйнштейн предсказал, что его теория может быть проверена путем наблюдения за смещением видимого положения фоновой звезды, вызванным гравитацией Солнца. Это было проверено совместными усилиями астрономов Артура Эддингтона и Фрэнка Дайсона во время солнечного затмения 29 мая 1919 года. Эддингтон и его коллеги измерили смещение фоновой звезды на 2 угловых секунды, подтвердив теорию Эйнштейна. Эти ученые вряд ли могли представить, что более века спустя та же самая техника будет использоваться — с невообразимым на тот момент тысячекратным улучшением точности — для поиска черных дыр в нашей галактике.
