Астрономы, возможно, обнаружили «темную» свободно плавающую черную дыру

Черные дыры по своей природе невидимы, если они не являются частью звездной двойной системы или не окружены аккреционным диском. Большинство черных дыр звездного размера не являются таковыми, но астрономы искали их с помощью событий гравитационного микролинзирования, когда черная дыра усиливает и искажает свет от звезд по направлению к галактическому центру. Команда под руководством Калифорнийского университета в Беркли, возможно, нашла первую свободно плавающую черную дыру, хотя необходимы дополнительные данные, чтобы исключить нейтронную звезду.

Если, как полагают астрономы, смерть крупных звезд оставляет после себя черные дыры, их должны быть сотни миллионов, разбросанные по галактике Млечный Путь. Проблема в том, что изолированные черные дыры невидимы.

Теперь группа астрономов под руководством Калифорнийского университета в Беркли впервые обнаружила то, что может быть свободно плавающей черной дырой, наблюдая за увеличением яркости более далекой звезды, когда ее свет искажается сильным гравитационным полем объекта. так называемое гравитационное микролинзирование.

Команда, возглавляемая аспирантом Кейси Ламом и Джессикой Лу, доцентом астрономии Калифорнийского университета в Беркли, оценивает массу невидимого компактного объекта в 1,6–4,4 раза больше массы Солнца. Поскольку астрономы считают, что остаток мертвой звезды должен быть тяжелее 2,2 массы Солнца, чтобы коллапсировать в черную дыру, исследователи Калифорнийского университета в Беркли предупреждают, что объект может быть нейтронной звездой, а не черной дырой. Нейтронные звезды также являются плотными, очень компактными объектами, но их гравитация уравновешивается внутренним давлением нейтронов, что предотвращает дальнейшее коллапс в черную дыру.

Будь то черная дыра или нейтронная звезда, этот объект является первым остатком темной звезды — звездным «призраком», обнаруженным блуждающим по галактике без пары с другой звездой.

«Это первая свободно плавающая черная дыра или нейтронная звезда, обнаруженная с помощью гравитационного микролинзирования», — сказал Лу. «С помощью микролинзирования мы можем исследовать эти одинокие, компактные объекты и взвешивать их. Я думаю, что мы открыли новое окно в эти темные объекты, которые нельзя увидеть никаким другим способом».

Определение того, сколько из этих компактных объектов населяет галактику Млечный Путь, поможет астрономам понять эволюцию звезд, в частности, как они умирают, и нашей галактики, и, возможно, выяснить, являются ли какие-либо из невидимых черных дыр первичными черными дырами. которые, по мнению некоторых космологов, были произведены в больших количествах во время Большого взрыва.

Анализ, проведенный Ламом, Лу и их международной командой, был принят к публикации в The Astrophysical Journal Letters. Анализ включает четыре других события микролинзирования, которые, по заключению команды, не были вызваны черной дырой, хотя два, вероятно, были вызваны белым карликом или нейтронной звездой. Команда также пришла к выводу, что вероятная популяция черных дыр в галактике составляет 200 миллионов человек, что и предсказывало большинство теоретиков.

Одни данные, разные выводы

Примечательно, что конкурирующая команда из Научного института космического телескопа (STScI) в Балтиморе проанализировала то же событие микролинзирования и утверждает, что масса компактного объекта ближе к 7,1 массы Солнца и, бесспорно, является черной дырой. Статья, описывающая анализ, проведенный командой STScI под руководством Кайлаша Саху, была принята к публикации в The Astrophysical Journal .

Обе команды использовали одни и те же данные: фотометрические измерения увеличения яркости далекой звезды, когда ее свет искажался или «линзировался» сверхкомпактным объектом, и астрометрические измерения смещения местоположения далекой звезды на небе в результате гравитационного воздействия. искажения от объекта линзирования. Фотометрические данные были получены в результате двух исследований микролинзирования: эксперимента по оптическому гравитационному линзированию (OGLE), в котором используется 1,3-метровый телескоп в Чили, которым управляет Варшавский университет, и эксперимента по микролинзированию в астрофизике (MOA), который установлен на 1,8-метровом телескопе. метровый телескоп в Новой Зеландии, принадлежащий Осакскому университету. Астрометрические данные поступили с космического телескопа НАСА «Хаббл». STScI управляет научной программой телескопа и проводит научные операции.

Поскольку оба обзора микролинзирования зафиксировали один и тот же объект, он имеет два имени: MOA-2011-BLG-191 и OGLE-2011-BLG-0462, или сокращенно OB110462.

В то время как исследования, подобные этому, ежегодно обнаруживают около 2000 звезд, увеличивающих яркость благодаря микролинзированию в галактике Млечный Путь, добавление астрометрических данных позволило двум командам определить массу компактного объекта и его расстояние от Земли. Команда под руководством Калифорнийского университета в Беркли подсчитала, что она находится на расстоянии от 2280 до 6260 световых лет (700-1920 парсеков) в направлении центра Галактики Млечный Путь и вблизи большой выпуклости, окружающей массивную черную дыру в центре галактики.

Группа STScI подсчитала, что она находится на расстоянии около 5 153 световых лет (1 580 парсеков) от нас.

Ищу иголку в стоге сена

Лу и Лам впервые заинтересовались этим объектом в 2020 году после того, как группа STScI предварительно пришла к выводу, что пять событий микролинзирования, наблюдаемых Хабблом, — все из которых длились более 100 дней и, следовательно, могли быть черными дырами, — могли не быть вызваны компактные объекты в конце концов.

Лу, которая занимается поиском свободно плавающих черных дыр с 2008 года, считает, что данные помогут ей лучше оценить их количество в галактике, которое, по приблизительным оценкам, составляет от 10 миллионов до 1 миллиарда. На сегодняшний день черные дыры размером со звезду обнаружены только в составе двойных звездных систем. Черные дыры в двойных системах видны либо в рентгеновских лучах, возникающих при падении материала звезды на черную дыру, либо в современных детекторах гравитационных волн, которые чувствительны к слиянию двух или более черных дыр. Но эти события редки.

«Кейси и я увидели данные, и нас это очень заинтересовало. Мы сказали: «Вау, никаких черных дыр. Это потрясающе», хотя они должны были быть», — сказал Лу. «Итак, мы начали просматривать данные. Если бы в данных действительно не было черных дыр, то это не соответствовало бы нашей модели того, сколько черных дыр должно быть в Млечном Пути. Что-то должно измениться в нашей понимание черных дыр — либо их количество, либо скорость их движения, либо их массы».

Когда Лам проанализировала фотометрию и астрометрию для пяти событий микролинзирования, она была удивлена ​​тем, что одно, OB110462, имело характеристики компактного объекта: объект линзы казался темным и, следовательно, не звездой; звездное сияние длилось долго, почти 300 дней; и искажение положения фоновой звезды также было длительным.

Лам сказал, что основной информацией стала продолжительность фотосъемки. В 2020 году она показала, что лучший способ поиска микролинз черных дыр — искать очень длинные события. По ее словам, только 1% обнаруживаемых событий микролинзирования, вероятно, происходят из черных дыр, поэтому рассмотрение всех событий было бы похоже на поиск иголки в стоге сена. Но, подсчитал Лам, около 40% событий микролинзирования, которые длятся более 120 дней, скорее всего, будут черными дырами.

«Как долго длится яркое событие, это намек на то, насколько массивна линза на переднем плане, преломляющая свет звезды на заднем плане», — сказал Лам. «Долгие события, скорее всего, связаны с черными дырами. Однако это не гарантия, потому что продолжительность эпизода осветления зависит не только от того, насколько массивна линза переднего плана, но и от того, насколько быстро линза переднего плана и звезда заднего плана движутся относительно друг друга. друг к другу. Однако, также получив измерения видимого положения звезды на заднем плане, мы можем подтвердить, действительно ли линза на переднем плане является черной дырой».

По словам Лу, гравитационное влияние OB110462 на свет фоновой звезды было удивительно продолжительным. В 2011 году звезде понадобился около года, чтобы достичь пика яркости, а затем примерно год, чтобы вернуться к нормальному состоянию.

Дополнительные данные помогут отличить черную дыру от нейтронной звезды

Чтобы подтвердить, что OB110462 был вызван сверхкомпактным объектом, Лу и Лам запросили у Хаббла дополнительные астрометрические данные, некоторые из которых были получены в октябре прошлого года. Эти новые данные показали, что изменение положения звезды в результате гравитационного поля линзы все еще можно наблюдать через 10 лет после события. Дальнейшие наблюдения Хаббла за микролинзой предварительно запланированы на осень 2022 года.

Анализ новых данных подтвердил, что OB110462, вероятно, была черной дырой или нейтронной звездой.

Лу и Лам подозревают, что разные выводы двух групп связаны с тем, что астрометрические и фотометрические данные дают разные измерения относительного движения объектов переднего и заднего планов. Астрометрический анализ также различается между двумя командами. Команда под руководством Калифорнийского университета в Беркли утверждает, что пока невозможно различить, является ли объект черной дырой или нейтронной звездой, но они надеются устранить несоответствие с помощью большего количества данных Хаббла и улучшенного анализа в будущем.

«Как бы мы ни хотели сказать, что это определенно черная дыра, мы должны сообщить обо всех допустимых решениях. Сюда входят как черные дыры с меньшей массой, так и, возможно, даже нейтронная звезда», — сказал Лу.

«Если вы не можете поверить в кривую блеска, яркость, то это говорит о чем-то важном. Если вы не верите в зависимость положения от времени, это говорит вам о чем-то важном», — сказал Лам. «Итак, если один из них неверен, мы должны понять, почему. Или другая возможность заключается в том, что то, что мы измеряем в обоих наборах данных, верно, но наша модель неверна. Данные фотометрии и астрометрии возникают в результате одного и того же физического процесса. что означает, что яркость и положение должны быть согласованы друг с другом. Значит, здесь чего-то не хватает».

Обе команды также оценили скорость сверхкомпактного линзирующего объекта. Команда Лу/Лам обнаружила относительно спокойную скорость, менее 30 километров в секунду. Команда STScI обнаружила необычно большую скорость, 45 км/с, которую они интерпретировали как результат дополнительного толчка, который предполагаемая черная дыра получила от породившей ее сверхновой.

Лу интерпретирует оценку низкой скорости своей команды как потенциальное подтверждение новой теории о том, что черные дыры не являются результатом взрыва сверхновых (это преобладающее сегодня предположение), а вместо этого происходят от неудавшихся сверхновых, которые не производят яркого всплеска во Вселенной и не дают в результате черная дыра удар.

Работа Лу и Лама поддерживается Национальным научным фондом (1909641) и Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (NNG16PJ26C, NASA FINESST 80NSSC21K2043).