Гравитационное микролинзирование выдало «блуждающую» черную дыру

09:03 08 февраля Киев, Украина

Астрономам из пяти коллабораций удалось получить первое однозначное свидетельство существования «блуждающей» черной дыры и даже оценить ее массу и скорость движения. Чтобы найти изолированную черную дыру, не взаимодействующую с чем-то (например, звездой) рядом, ученым понадобились шесть лет наблюдения «Габбла». Так методом гравитационного микролинзирования удалось определить, что межзвездное пространство со скоростью 45 километров в секунду летит черная дыра с массой в семь Солнц. Статья о первой подтвержденной изолированной черной дыре готовится к публикации в Astrophysical Journal, а пока доступен ее препринт на сервисе arXiv.
 
Фото: Серия изображений "Габбла", по которой можно отследить изменение яркости звезды. Kailash C. Sahu et al. / arxiv.org, 2022
 

Как ищут черные дыры?

Судьба превращения в объект, за пределы которого не сможет выйти даже свет, обычно ждет звезд с массой более 20 солнечных. Это примерно 0,1 процента всех звезд, что позволяет предположить, что в Галактике есть по крайней мере 10 миллионов черных дыр. Впрочем, не всем им удастся попасть в руки астрономам — обнаружение черных дыр является сложной задачей с точки зрения наблюдений, что говорить об определении их характеристик, например, массы.

Задача облегчается, если черная дыра имеет какую-нибудь звездную соседку. Так благодаря влиянию на светило-компаньона, черную дыру можно разоблачить через гамма-, рентгеновское и радиоизлучение, пока она, например, извлекает материал из звезды рядом. Или же по ее влиянию на движение компаньона или по гравитационным волнам от такого взаимодействия. Этими методами с разной степенью точности удалось обнаружить массы более двух десятков черных дыр из двойных систем. И никакой одинокой или изолированной, то есть не родившейся в двойной системе.

Поисками такого объекта и занялись астрономы из пяти разных коллабораций – они искали в данных космического телескопа «Габбл» линзирование, за которое могла бы быть ответственной изолированная или «блуждающая» черная дыра звездной массы. Такой объект будет менее обезображен взаимодействиями с теми же звездами, а значит потенциально станет лучшим для того, чтобы объяснить механизмы появления черных дыр в целом.

Откуда учёные взяли, что такие существуют?
На самом деле, звезды редко рождают в одиночку и большинство действительно существует в двойных, тройных и более системах. Впрочем, по подсчетам , примерно 30 процентов массивных светил все же рождаются отдельно. Или же превращаются в одиноких, если находились в тесной бинарной системе и в ходе эволюции пережили слияние. Или их вытолкнет вспышкой сверхновой звезды-соседки. Так или иначе, у изолированных черных дыр ничем не меньше шансов двигаться по межзвездному пространству, однако гораздо меньше шансов быть в нем обнаруженными.

Поскольку собственного света черная дыра не излучает, аккреция материала из межзвездной среды вокруг не является таким ярким событием, чтобы образовывать заметное радио- или рентгеновское излучение, а никого рядом, чтобы выдать объект нет, для прямого наблюдения изолированные черные дыры достаточно сложной задачей. . И единственное, что остается астрономам — гравитационное микролинзирование и звезда, мимо которой пройдет черная дыра так, что приведет к отклонению ее света. Такую и нашли исследователи в данных телескопа «Габбл».
 
Фото:  Изображение с MOA-11-191/OGLE-11-0462 в центре, полученном «Габбл». Зеленым цветом обведена звезда-источник, теперь вернувшаяся к базовой светимости. Kailash C. Sahu et al. / arxiv.org, 2022

Где бродит черная дыра?

Событие микролинзирования происходит, когда звезда или компактный объект (линза) проходит почти точно перед фоновой звездой (источником). Согласно теории относительности, линза увеличит яркость, а также несколько сместит видимое положение источника. И в рамках программ, занимающихся их поиском, уже обнаружено более 30 тысяч таких событий. А поскольку черные дыры занимают пусть небольшую, но все же такую, какой нельзя пренебрегать, частью от общей звездной массы Галактики, то вполне вероятно, что среди них найдется и событие, связанное с черной дырой.

События, вызванные массивными компактными объектами, то есть такими, как черные дыры, скорее всего будут отличаться большей продолжительностью и отсутствием вклада света от линзы. И в 2011 году независимо друг от друга две программы мониторинга событий микролинзирования MOA и OGLE обнаружили в двух градусах от галактического центра события MOA-11-191/OGLE-11-0462. Линза не излучает яркого света, что учитывая большую массу, чем возможная для белого карлика или нейтронной звезды, подтверждает ее происхождение от черной дыры.

Известных источников рентгеновского или радиоизлучения на позиции МОА-11-191/ОГЛЕ-11-0462 нет, но наблюдая за отклонением света, исследователи заключили, что объект, создающий гравитационную линзу, расположен на расстоянии чуть более пяти тысяч световых лет и имеет массу 7,1 масс Солнца. Астрономам также удалось высчитать скорость черной дыры – 45 километров в секунду. Вероятно, так ее мог разогнать толчок от взрыва сверхнового, который и породил ее.