28.10.2024. - Свидетельство мягкого формирования черных дыр

Свидетельство мягкого формирования черных дыр

Многие черные дыры, обнаруженные на сегодняшний день, по-видимому, являются частью пары. Эти двойные системы состоят из черной дыры и вторичного объекта — такого как звезда, гораздо более плотная нейтронная звезда или другая черная дыра, — которые вращаются друг вокруг друга по спирали, притягиваемые гравитацией черной дыры, образуя плотную орбитальную пару.

Новое удивительное открытие, касающееся черной дыры V404 Cygnus, расширяет представление о черных дырах, объектах, которые они могут содержать, и способах их формирования. В исследовании, опубликованном в журнале Nature, физики Массачусетского технологического института и Калифорнийского технологического института сообщают, что они впервые наблюдали "тройную черную дыру".

В новой системе центральная черная дыра поглощает маленькую звезду, которая вращается по спирали в непосредственной близости от черной дыры каждые 6,5 дней — конфигурация, аналогичная большинству двойных систем. Но, что удивительно, вторая звезда, по-видимому, также обращается вокруг черной дыры, хотя и на гораздо большем расстоянии. По оценкам физиков, этот далекий спутник обращается вокруг черной дыры каждые 70 000 лет.

Тот факт, что черная дыра, по-видимому, оказывает гравитационное воздействие на объект, находящийся так далеко, вызывает вопросы о происхождении самой черной дыры. Считается, что черные дыры образуются в результате мощного взрыва умирающей звезды — процесса, известного как сверхновая, при котором звезда высвобождает огромное количество энергии и света в последнем всплеске, прежде чем превратиться в невидимую черную дыру.

Открытие команды, однако, предполагает, что если бы недавно обнаруженная черная дыра возникла в результате взрыва обычной сверхновой, энергия, которую она выделила бы перед коллапсом, отбросила бы любые слабо связанные объекты на ее окраинах. Таким образом, вторая, внешняя звезда, не должна была бы до сих пор оставаться на орбите.

Вместо этого команда ученых подозревает, что черная дыра образовалась в результате более мягкого процесса "прямого коллапса", при котором звезда просто распадается сама на части, образуя черную дыру без последней яркой вспышки. Такое мягкое происхождение вряд ли могло бы потревожить какие-либо слабо связанные далекие объекты.

Поскольку новая тройная система включает в себя очень далекую звезду, это говорит о том, что черная дыра системы возникла в результате более мягкого прямого коллапса. И хотя астрономы веками наблюдали более яркие вспышки сверхновых, команда ученых говорит, что новая тройная система может стать первым свидетельством существования черной дыры, образовавшейся в результате этого более мягкого процесса.

"Мы считаем, что большинство черных дыр образуются в результате сильных взрывов звезд, но это открытие помогает поставить это под сомнение", - говорит автор исследования Кевин Бердж, научный сотрудник Паппалардо с физического факультета Массачусетского технологического института. "Эта система очень интересна для изучения эволюции черных дыр, и она также поднимает вопрос о том, существуют ли еще тройки".

Соавторами исследования в Массачусетском технологическом институте являются Эрин Кара, Клод Канисарес, Дипто Чакрабарти, Анна Фребель, Сара Миллхолланд, Сол Раппапорт, Роб Симко и Эндрю Вандербург, а также Карим Эль-Бадри из Калифорнийского технологического института.

Тандемное движение

Открытие тройной черной дыры произошло почти случайно. Физики обнаружили ее, просматривая Aladin Lite, хранилище астрономических наблюдений, собранных с телескопов в космосе и по всему миру. Астрономы могут использовать онлайн-инструмент для поиска изображений одной и той же части неба, сделанных разными телескопами, настроенными на различные длины волн энергии и света.

Команда ученых искала в галактике Млечный Путь признаки новых черных дыр. Из любопытства Бердж рассмотрел изображение V404 Лебедя — черной дыры, расположенной примерно в 8000 световых годах от Земли, которая была одним из самых первых объектов, когда-либо подтвержденных как черная дыра, в 1992 году.

С тех пор V404 Лебедя стала одной из наиболее хорошо изученных черных дыр и была описана в более чем 1300 научных статьях. Однако ни в одном из этих исследований не сообщалось о том, что наблюдали Бердж и его коллеги.

Рассматривая оптические изображения V404 Лебедя, Бердж увидел нечто похожее на два светящихся пятна, расположенных на удивление близко друг к другу. Первое пятно было тем, что другие исследователи определили как черную дыру и внутреннюю звезду, обращающуюся на близкой орбите. Звезда находится так близко, что выбрасывает часть своего вещества в черную дыру и испускает свет, который мог видеть Бердж.

Однако второй сгусток света был тем, что ученые до сих пор тщательно не исследовали. Этот второй источник света, как определил Бердж, скорее всего, исходил от очень далекой звезды.

"Тот факт, что мы можем видеть две отдельные звезды на таком большом расстоянии, на самом деле означает, что звезды должны быть действительно очень далеко друг от друга", - говорит Бердж, который подсчитал, что внешняя звезда находится на расстоянии 3500 астрономических единиц (а.е.) от черной дыры (1 а.е. - это расстояние между Землей и Солнцем).

Другими словами, внешняя звезда находится в 3500 раз дальше от черной дыры, чем Земля от Солнца. Это также в 100 раз больше расстояния между Плутоном и Солнцем.

Тогда на ум пришел вопрос, связана ли внешняя звезда с черной дырой и ее внутренней звездой. Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи обратились к спутнику Gaia, который с 2014 года точно отслеживает движение всех звезд в галактике.

Команда проанализировала движения внутренних и внешних звезд за последние 10 лет по данным Gaia и обнаружила, что звезды двигались точно в тандеме по сравнению с другими соседними звездами. Они подсчитали, что вероятность такого тандемного движения составляет примерно один к 10 миллионам.

"Это почти наверняка не совпадение и не случайность", - говорит Бердж. "Мы видим две звезды, которые следуют друг за другом, потому что их связывает слабая гравитационная нить. Таким образом, это должна быть тройная система".

За ниточки тянутся две звезды.

Как же тогда могла образоваться эта система? Если бы черная дыра возникла в результате обычной вспышки сверхновой, мощный взрыв давным-давно уничтожил бы внешнюю звезду.

"Представьте, что вы тянете воздушного змея, и вместо прочной веревки вы тянете паутину", - говорит Бердж. "Если бы вы потянули слишком сильно, паутина порвалась бы, и вы потеряли бы воздушного змея. Гравитация подобна едва натянутой струне, которая на самом деле очень слаба, и если вы сделаете что-нибудь серьезное с внутренней двойной звездой, вы потеряете внешнюю звезду".

Однако, чтобы по-настоящему проверить эту идею, Бердж провел моделирование, чтобы увидеть, как такая тройная система могла развиться и сохранить внешнюю звезду.

В начале каждой симуляции он вводил три звезды (третьей была черная дыра, прежде чем она стала черной дырой). Затем он провел десятки тысяч симуляций, в каждой из которых описывался немного отличающийся сценарий того, как третья звезда могла превратиться в черную дыру, что впоследствии повлияло на движение двух других звезд.

Например, он смоделировал сверхновую, изменив количество и направление выделяемой ею энергии. Он также смоделировал сценарии прямого коллапса, в которых третья звезда просто обрушивалась сама на себя, образуя черную дыру, не выделяя никакой энергии.

"Подавляющее большинство симуляций показывают, что самый простой способ заставить эту тройную систему работать - это прямой коллапс", - говорит Бердж.

Помимо того, что внешняя звезда дает ключ к пониманию происхождения черной дыры, она также раскрывает возраст системы. Физики заметили, что внешняя звезда находится в процессе превращения в красного гиганта — фаза, которая наступает в конце жизни звезды.

Основываясь на этом звездном переходе, команда определила, что возраст внешней звезды составляет около 4 миллиардов лет. Учитывая, что соседние звезды рождаются примерно в одно и то же время, команда приходит к выводу, что тройной черной дыре также 4 миллиарда лет.

"Нам никогда раньше не удавалось сделать это для старой черной дыры", - говорит Бердж. "Теперь мы знаем, что V404 Лебедя является частью тройки, она могла образоваться в результате прямого коллапса, и она образовалась около 4 миллиардов лет назад, благодаря этому открытию".

Источник