Новый метод позволил обнаружить рекордно маленькую чёрную дыру

Астрономы перебрали около 100 тысяч звёзд в поисках чёрных дыр и обнаружили объект, который претендует на рекорд. Масса небесного тела, которое не может быть ничем, кроме чёрной дыры, составляет лишь около 3,3 солнечной.

Вероятно, существует целый класс небольших чёрных дыр, до сих пор ускользавший от внимания учёных. Изучение чёрных дыр столь малой массы могут заполнить пробелы в наших знаниях о взрывах светил и образовании химических элементов.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Science.

Напомним, что звёзды массой более десяти солнечных в конце жизни взрываются как сверхновые. Если масса светила не превышала 30 солнц, на месте катаклизма остаётся нейтронная звезда, в противном случае – чёрная дыра.

Согласно расчётам теоретиков, масса нейтронной звезды не может быть больше 2,5–2,7 солнечной. Объект большей массы при такой плотности потерял бы устойчивость и превратился в чёрную дыру.

Таким образом, массы чёрных дыр, оставшихся от взрывов сверхновых, должны начинаться с 2,7 солнц. Но многие годы поисков приводили лишь к обнаружению тел массой 5–15 солнечных.

Дело в том, что чёрную дыру крайне трудно обнаружить. Она действительно чёрная, то есть не излучает ничего, кроме предельно слабого, неуловимого для телескопов излучения Хокинга.

Обычно чёрные дыры находят по излучению падающего на них вещества. Если же объект не окружён таким облаком, убедиться в его существовании крайне трудно. Однако на сей раз учёным это удалось.

"Мы демонстрируем указание на то, что есть ещё одна популяция, которую нам ещё предстоит исследовать при поиске чёрных дыр", – рассказывает первый автор статьи Тодд Томпсон (Todd Thompson) из Университета Огайо.

Исследователи применили необычный метод поиска. Они просматривали звёзды Млечного Пути в поисках светил, которые обращаются вокруг настолько плотного объекта, что он может быть только чёрной дырой.

Информацию о том, что звезда вокруг чего-то обращается, даёт её спектр. Из-за эффекта Доплера спектральные линии движущегося светила смещаются. Этот метод давно используется для поиска двойных звёзд, а также планет, однако обычно его не применяют для поиска чёрных дыр. Проанализировав спектры примерно 100 тысяч звёзд, собранные в рамках проекта APOGEE, авторы выделили 200 самых перспективных кандидатов.

Для каждого из этих светил астрономы просмотрели тысячи фотографий, полученных в обзоре ASAS-SN, нацеленном на поиск сверхновых и прочих вспышечных явлений. Их целью было обнаружить орбитальное движение звезды ещё и по изменению её блеска (это можно сделать, если поверхность светила покрыта долгоживущими пятнами).

В результате учёные обратили внимание на красный гигант 2MASS J05215658 + 4359220. Эта звезда обращается вокруг какого-то невидимого тела по почти круговой орбите с периодом 83 дня. Данные ASAS-SN говорят о том, что светило развёрнуто к этому телу одной стороной, как Луна к Земле.

Авторы рассчитали, что таинственный объект имеет такую плотность, что может быть только чёрной дырой. При этом его масса составляет от 2,8 до 6,1 солнечной с наиболее вероятным значением 3,3.

Таким образом, это тело претендует на звание самой лёгкой известной чёрной дыры. Правда, по некоторым расчётам, на месте знаменитого столкновения нейтронных звёзд 17 августа 2017 года образовалась чёрная дыра массой 2,7 солнечной, которая могла бы составить конкуренцию нынешней находке. Но, по другим данным, результатом того катаклизма стала всё-таки предельно тяжёлая нейтронная звезда.

Отметим, что найденное авторами тело не излучает в рентгеновском или каком-либо ином диапазоне. Это означает, что оно не окружено раскалённым облаком падающей на него плазмы, так что найти его обычными методами было бы невозможно.

Как отмечает Томпсон, изучение этого нового класса чёрных дыр поможет точнее изучить взрывы сверхновых звёзд, которые всё ещё таят немало загадок. Между тем именно эти космические катаклизмы снабжают Вселенную значительной долей химических элементов тяжелее железа (хотя есть и конкурирующие процессы).