В 1916 году Карл Шварцшильд предположил существование черных дыр как решение уравнений поля Эйнштейна для своей общей теории относительности. К середине 20 века астрономы впервые начали обнаруживать черные дыры косвенными методами, которые заключались в наблюдении за их воздействием на окружающие объекты и пространство. С 1980-х годов ученые изучают сверхмассивные черные дыры (СМЧД), которые находятся в центре самых массивных галактик во Вселенной. А к апрелю 2019 года коллаборация Event Horizon Telescope (EHT) опубликовала первое в истории изображение сверхмассивной черной дыры.
Эти наблюдения дают возможность проверить законы физики в самых экстремальных условиях и дать представление о силах, сформировавших Вселенную. Согласно недавнему исследованию, международная исследовательская группа опиралась на данные обсерватории Гайя ЕКА, чтобы наблюдать солнцеподобную звезду со странными орбитальными характеристиками. Из-за характера его орбиты команда пришла к выводу, что он должен быть частью двойной системы черной дыры. Это делает ее ближайшей черной дырой к нашей Солнечной системе и предполагает существование значительной популяции спящих черных дыр в нашей галактике.
Исследование возглавил Карим Эль-Бадри, член Гарвардского общества, астрофизик Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA) и Института астрономии Макса Планка (MPIA). К нему присоединились исследователи из CfA, MPIA, Калифорнийского технологического института, Калифорнийского университета в Беркли, Центра вычислительной астрофизики (CCA) Института Флэтайрона, Научного института Вейцмана, Парижской обсерватории, Института астрофизики и космических исследований Кавли Массачусетского технологического института и нескольких университетов. Статья, описывающая их выводы, будет опубликована в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества.
Как объяснил Эль-Бадри Universe Today по электронной почте, эти наблюдения были частью более широкой кампании по выявлению спящих черных дыр, компаньонов обычных звезд в галактике Млечный Путь. «Последние четыре года я искал спящие черные дыры, используя широкий спектр наборов данных и методов», — сказал он. «Мои предыдущие попытки обнаружили разнообразный зверинец бинарных файлов, которые маскируются под черные дыры, но это был первый раз, когда поиск принес плоды».
Для этого исследования Эль-Бадри и его коллеги опирались на данные, полученные обсерваторией Гайя Европейского космического агентства (ЕКА). Эта миссия провела почти десять лет, измеряя положения, расстояния и собственные движения почти 1 миллиарда астрономических объектов, таких как звезды, планеты, кометы, астероиды и галактики. Отслеживая движение объектов по орбите вокруг центра Млечного Пути (метод, известный как астрометрия), миссия Gaia стремится создать самый точный трехмерный космический каталог из когда-либо созданных.
Для своих целей Эль-Бадри и его коллеги изучили все 168 065 звезд в третьем выпуске данных Gaia (GDR3), которые, как оказалось, имеют орбиты двух тел. Их анализ выявил особенно многообещающего кандидата, тип G (желтая звезда), обозначенный как Gaia DR3 4373465352415301632 — для своих целей команда обозначила его как Gaia BH1. Основываясь на наблюдаемом орбитальном решении, Эль-Бадри и его коллеги определили, что у этой звезды должна быть двойная черная дыра-компаньон. Сказал Эль-Бадри:
«Данные Gaia определяют, как звезда движется в небе, описывая эллипс, когда она вращается вокруг черной дыры. Размер орбиты и ее период дают нам ограничение на массу ее невидимого компаньона — около 10 масс Солнца. чтобы подтвердить правильность решения Gaia и исключить альтернативы, не являющиеся черными дырами, мы наблюдали звезду спектроскопически с помощью нескольких других телескопов. Это ужесточило наши ограничения на массу компаньона и доказало, что он действительно «темный».
Чтобы подтвердить свои наблюдения, команда проанализировала измерения лучевой скорости Gaia BH1 с нескольких телескопов. Сюда входили спектрометр Эшелле высокого разрешения (HIRES) обсерватории WM Keck, спектрограф оптического спектрографа расширенного диапазона (FEROS) телескопа MPG / ESO, спектрограф X-Shooter Очень большого телескопа (VLT), многообъектные спектрографы Gemini. (GMOS), спектрограф Magellan Echellette (MagE) и многоцелевой волоконный спектроскопический телескоп большой области неба (LAMOST).
Подобно методу, используемому для поиска экзопланет (доплеровская спектроскопия), спектры, полученные этими инструментами, позволили команде наблюдать и измерять гравитационные силы, влияющие на ее орбиту. Эти последующие наблюдения подтвердили орбитальное решение Gaia BH1 и то, что спутник примерно в десять солнечных масс находится на одной орбите с ним. Как указал Эль-Бадри, эти находки могут представлять собой первую черную дыру в Млечном Пути, которая не наблюдалась на основании ее рентгеновского излучения или других энергетических выбросов:
«Модели предсказывают, что Млечный Путь содержит около 100 миллионов черных дыр. Но мы наблюдали только около 20 из них. Все предыдущие, которые мы наблюдали, находятся в «рентгеновских двойных»: черная дыра пожирает звезду-компаньона, и он ярко сияет в рентгеновских лучах, поскольку гравитационная потенциальная энергия этого материала превращается в свет. Но это только верхушка айсберга: может скрываться гораздо большая популяция, скрытая в более удаленных друг от друга двойных системах. Открытие Gaia BH1 сияет ранний свет на эту популяцию».
Если эти данные подтвердятся, это может означать, что в Млечном Пути существует большая популяция спящих черных дыр. Имеются в виду черные дыры, которые не видны по ярким дискам, всплескам излучения или сверхскоростным струям, исходящим от их полюсов (как это часто бывает с квазарами). Если эти объекты повсюду в нашей галактике, последствия для звездной и галактической эволюции могут быть глубокими. Однако вполне возможно, что эта конкретная дремлющая черная дыра является исключением и не указывает на большую популяцию.
Чтобы проверить свои выводы, Эль-Бадри и его коллеги с нетерпением ждут выпуска данных Gaia 4 (GDR 4), дата которого еще не определена, и который будет включать все данные, собранные в течение пятилетней номинальной миссии (GDR 4). Этот выпуск будет включать в себя самые современные астрометрические, фотометрические каталоги и каталоги лучевых скоростей для всех наблюдаемых звезд, двойных систем, галактик и экзопланет. Пятый и последний выпуск (GDR 5) будет включать данные номинальной и расширенной миссии (полные десять лет).
«Основываясь на частоте встречаемости компаньона ЧД, предполагаемой Gaia BH1, мы подсчитали, что следующий выпуск данных Gaia позволит обнаружить десятки подобных систем», — сказал Эль-Бадри. «С помощью всего лишь одного объекта трудно точно знать, что он подразумевает о населении (это может быть просто чудак, случайность). Мы в восторге от демографических исследований населения, которые мы сможем провести с более крупными выборками».
