Чорні діри – це найбільш екстремальні об’єкти у Всесвіті. Надмасивні версії цих неймовірно щільних об’єктів, ймовірно, знаходяться в центрах усіх великих галактик. Чорні діри зоряної маси, вага яких приблизно в 5-100 разів перевищує масу Сонця, зустрічаються набагато частіше, лише в Чумацькому Шляху їх приблизно 100 мільйонів.
Проте на сьогоднішній день підтверджено лише кілька, і майже всі вони «активні», тобто вони яскраво сяють у рентгенівських променях, оскільки споживають матеріал із сусіднього зоряного супутника, на відміну від сплячих чорних дір , які цього не роблять.
Астрономи за допомогою телескопа Gemini North на Гаваях, одного з телескопів-близнюків Міжнародної обсерваторії Gemini, керованої NOIRLab NSF, виявили найближчу до Землі чорну діру, яку дослідники назвали Gaia BH1. Ця спляча чорна діра важить приблизно в 10 разів більше за масу Сонця і розташована на відстані приблизно 1600 світлових років від нас у сузір’ї Змієносця, що робить її втричі ближчою до Землі, ніж попередній рекордсмен, рентгенівська подвійна система в сузір’ї Єдинорога.
Нове відкриття стало можливим завдяки вишуканим спостереженням за рухом супутника чорної діри, сонцеподібної зірки, яка обертається навколо чорної діри приблизно на тій же відстані, що й Земля навколо Сонця.
«Візьміть Сонячну систему , помістіть чорну діру там, де знаходиться Сонце, а Сонце — там, де знаходиться Земля, і ви отримаєте цю систему», — пояснив Карім Ель-Бадрі, астрофізик із Центру астрофізики | Harvard & Smithsonian та Інститут астрономії Макса Планка, а також провідний автор статті, що описує це відкриття.
«Хоча було багато заяв про виявлення подібних систем, майже всі ці відкриття згодом були спростовані. Це перше однозначне виявлення сонцеподібної зірки на широкій орбіті навколо чорної діри зіркової маси в нашій галактиці».
Хоча Галактикою Чумацький Шлях, ймовірно, блукають мільйони чорних дір зоряної маси, ті небагато, що були виявлені, були виявлені завдяки їх енергетичній взаємодії із зіркою-компаньйоном . Коли матеріал із сусідньої зірки обертається по спіралі до чорної діри, він перегрівається та генерує потужне рентгенівське випромінювання та струмені матеріалу. Якщо чорна діра не живиться активно (тобто вона спляча), вона просто зливається з оточенням.
«Останні чотири роки я шукав сплячі чорні діри, використовуючи широкий спектр наборів даних і методів», — сказав Ель-Бадрі. «Мої попередні спроби — як і спроби інших — виявили звіринець подвійних систем, які маскуються під чорні діри, але це перший раз, коли пошук приніс плоди».
Команда спочатку визначила систему як потенційну чорну діру, проаналізувавши дані космічного корабля Gaia Європейського космічного агентства. Gaia зафіксувала дрібні нерівності в русі зірки, спричинені силою тяжіння невидимого масивного об’єкта. Щоб дослідити систему більш детально, Ель-Бадрі та його команда звернулися до приладу Gemini Multi-Object Spectrograph на Gemini North, який виміряв швидкість зірки-компаньйона, коли вона оберталася навколо чорної діри, і забезпечив точне вимірювання її орбітального періоду.
Подальші спостереження Gemini мали вирішальне значення для обмеження орбітального руху і, отже, маси двох компонентів у подвійній системі, що дозволило групі ідентифікувати центральне тіло як чорну діру, приблизно в 10 разів масивнішу за наше Сонце.
«Наші подальші спостереження Gemini поза розумним сумнівом підтвердили, що подвійна система містить нормальну зірку та принаймні одну сплячу чорну діру», — уточнив Ель-Бадрі. «Ми не змогли знайти жодного правдоподібного астрофізичного сценарію, який міг би пояснити спостережувану орбіту системи, яка б не включала принаймні одну чорну діру».
Команда покладалася не лише на чудові спостережні можливості Gemini North, але й на здатність Gemini надавати дані у стислі терміни, оскільки команда мала лише короткий вікно для виконання своїх подальших спостережень.
«Коли ми отримали перші ознаки того, що система містить чорну діру, у нас був лише тиждень до того, як два об’єкти виявилися на найближчій відстані на своїх орбітах. Вимірювання в цей момент є важливими для точного визначення маси в подвійній системі», — сказав Ель-Бадрі. «Здатність Gemini забезпечити швидкі спостереження була вирішальною для успіху проекту. Якби ми пропустили це вузьке вікно, нам довелося б чекати ще рік».
Сучасні моделі еволюції подвійних систем астрономів важко пояснити, як могла виникнути особлива конфігурація системи Gaia BH1. Зокрема, зірка-попередниця, яка пізніше перетворилася на нещодавно виявлену чорну діру, була б принаймні в 20 разів масивнішою за наше Сонце.
Це означає, що він прожив би лише кілька мільйонів років. Якби обидві зірки утворилися одночасно, ця масивна зірка швидко перетворилася б на надгігант, роздувшись і поглинувши іншу зірку, перш ніж вона встигла б стати справжньою зіркою головної послідовності, що спалює водень, як наше Сонце.
Зовсім незрозуміло, як зірка сонячної маси могла пережити цей епізод, залишившись начебто нормальною зіркою, як показують спостереження подвійної системи чорної діри. Теоретичні моделі, які дійсно допускають виживання, передбачають, що зірка з сонячною масою повинна була опинитися на набагато тіснішій орбіті, ніж те, що спостерігається насправді.
Це може свідчити про наявність важливих прогалин у нашому розумінні того, як чорні діри утворюються та еволюціонують у подвійних системах, а також свідчить про існування ще невивченої популяції сплячих чорних дір у подвійних системах.
«Цікаво, що ця система нелегко адаптується до стандартних бінарних моделей еволюції», — підсумував Ель-Бадрі. «Це ставить багато питань про те, як утворилася ця подвійна система, а також про те, скільки цих сплячих чорних дір там».
“Як частина мережі космічних і наземних обсерваторій, Gemini North не тільки надала переконливі докази існування найближчої чорної діри на сьогоднішній день, але й першу незайману систему чорних дір, вільну від звичайного гарячого газу, що взаємодіє з чорною дірою.”, – сказав керівник програми NSF Gemini Мартін Стілл.
«Хоча це потенційно віщує майбутні відкриття прогнозованої сплячої популяції чорної діри в нашій Галактиці, спостереження також залишають таємницю, яку потрібно розгадати — незважаючи на спільну історію з її екзотичним сусідом, чому зірка-компаньйон у цій подвійній системі така нормальна?»
