Когда умирает звезда, в 20 раз более массивная, чем наше Солнце, она может взорваться сверхновой и сжаться обратно в плотную черную дыру (с помощью гравитации). Но этот взрыв никогда не бывает идеально симметричным, поэтому иногда образующиеся черные дыры устремляются в космос. Такие блуждающие объекты часто называют "блуждающими черными дырами", потому что они свободно парят вокруг, не связанные с другими небесными телами.
Но это название может быть "неправильным", считает Джессика Лу, доцент астрономии Калифорнийского университета в Беркли. Она предпочитает термин "свободно плавающие" для описания этих черных дыр. "Бродячие", - говорит она, - подразумевает, что кочевники редки или необычны - или замышляют что-то нехорошее.
Это, конечно, не так. По оценкам астрономов, в нашей галактике насчитывается до 100 миллионов таких черных дыр. Но поскольку они одиночные, их чрезвычайно трудно обнаружить. До недавнего времени эти так называемые черные дыры-изгои были известны только благодаря теории и расчетам.
"Это, так сказать, призраки", - говорит Лу, которая поставила перед собой задачу найти свободно плавающие черные дыры Млечного Пути.
В начале этого года две группы исследователей космоса по отдельности обнаружили то, что может быть одной из этих блуждающих черных дыр. Одну из этих групп возглавлял Кейси Лам, аспирант из лаборатории Лу. Другую возглавлял Кайлаш К. Саху, астроном из Научного института космического телескопа. Обе группы разместили свои работы на сайте с открытым доступом без экспертной оценки.
В октябре ученые получат дополнительные данные с космического телескопа "Хаббл", которые, по словам Лу, должны помочь "разрешить загадку, является ли это черной дырой или нейтронной звездой". "До сих пор существует много неопределенности относительно того, как умирают звезды и какие призрачные остатки они оставляют после себя, - отмечает она. Считается, что когда у звезд, гораздо более массивных, чем наше Солнце, заканчивается ядерное топливо, они коллапсируют либо в черную дыру, либо в нейтронную звезду. "Но мы не знаем точно, какие из них умирают и превращаются в нейтронные звезды или умирают и превращаются в черные дыры", - добавляет Лу. "Мы не знаем, когда рождается черная дыра и умирает звезда, происходит ли сильный взрыв сверхновой? Или она непосредственно коллапсирует в черную дыру и, возможно, просто немного отрыгивается?".
Поскольку из звездных материалов состоит все, что мы знаем о мире, понимание загробной жизни звезд является ключом к пониманию того, как мы сами появились на свет.
Как обнаружить черную дыру на свободе
Черные дыры по своей природе невидимы. Они задерживают весь свет, с которым сталкиваются, поэтому человеческому глазу нечего воспринимать. Поэтому астрономам приходится проявлять изобретательность, чтобы обнаружить эти плотные, темные объекты.
Как правило, они ищут аномалии в газе, пыли, звездах и других материалах, которые могут быть вызваны сильной гравитацией черной дыры. Если черная дыра отрывает материал от другого небесного тела, то образующийся диск обломков, окружающий черную дыру, может быть ярко заметен. (Именно таким образом астрономы получили первое прямое изображение одной из них в 2019 году и изображение черной дыры в центре Млечного Пути в начале этого года).
Но если черная дыра не вносит хаос своей гравитационной силой, то вряд ли можно что-то обнаружить. Это часто случается с движущимися черными дырами. Поэтому астрономы, такие как Лу, используют другую технику, называемую астрометрическим или гравитационным микролинзированием.
"Мы ждем случайного совпадения одной из этих свободно плавающих черных дыр и фоновой звезды", - объясняет Лу. "Когда они выравниваются, свет от фоновой звезды искривляется под действием гравитации черной дыры [перед ней]. Это проявляется как усиление яркости звезды [в астрономических данных]. Это также заставляет ее совершать небольшие скачки по небу, так сказать, покачиваться".
Фоновая звезда на самом деле не движется - скорее, кажется, что она отклоняется от своего курса, когда перед ней проходит черная дыра или другой компактный объект. Это происходит потому, что гравитация черной дыры деформирует ткань пространства-времени, согласно Общей теории относительности Альберта Эйнштейна, что изменяет свет звезды.
Астрономы используют микролинзирование для изучения всевозможных временных явлений во Вселенной, от сверхновых до экзопланет, проходящих вокруг своих звезд. Но это непросто сделать с помощью наземных телескопов, поскольку земная атмосфера может размывать изображения.
"В астрометрии вы пытаетесь очень точно измерить положение чего-либо, и вам нужны очень четкие изображения", - объясняет Лу. Поэтому астрономы полагаются на телескопы в космосе, такие как Хаббл, и несколько наземных инструментов, которые имеют сложные системы для адаптации к атмосферным помехам. "В мире есть только три объекта, которые могут проводить такие астрометрические измерения", - говорит Лу. "Мы работаем на самом переднем крае того, что сегодня может сделать наша технология".
Первая черная дыра-изгой?
Именно это усиление яркости, или "событие гравитационного линзирования", как называет его Лу, ее команда и команда Саху заметили в данных космического телескопа "Хаббл" в 2011 году. Они предположили, что что-то должно пройти перед этой звездой.
Чтобы выяснить причину колебаний и изменения интенсивности света звезды, необходимо провести два измерения: яркости и положения. Астрономы наблюдают за одной и той же точкой на небе в течение долгого времени, чтобы увидеть, как меняется свет по мере прохождения объекта перед звездой. Это дает им данные, необходимые для расчета массы объекта, которая, в свою очередь, определяет, является ли он черной дырой или нейтронной звездой.
"Мы знаем, что объект, который производит линзирование, тяжелый. Мы знаем, что она тяжелее вашей типичной звезды. И мы знаем, что она темная", - отмечает Лу. "Но мы все еще немного не уверены в том, насколько она тяжелая и насколько темная". Если она лишь немного тяжелее, скажем, в полтора раза больше массы нашего Солнца, то это может быть нейтронная звезда. Но если она в три-десять раз массивнее нашего Солнца, то это будет черная дыра, объясняет Лу.
По мере того как две команды собирали данные с 2011 по 2017 год, их анализ выявил совершенно разные массы этого компактного объекта. Команда Саху определила, что блуждающий объект имеет массу в семь раз больше массы нашего Солнца, что относит его к черным дырам. Но команда Лама и Лу рассчитала, что он менее массивный, где-то между 1,6 и 4,4 солнечными массами, что соответствует обоим вариантам.
Астрономы не могут быть уверены в правильности расчета, пока не получат возможность узнать, насколько яркой обычно бывает фоновая звезда и каково ее положение на небе, когда перед ней ничего не проходит. Они не были сосредоточены на этой звезде до того, как заметили ее нехарактерную яркость и колебания, поэтому у них только сейчас появилась возможность провести эти базовые наблюдения, поскольку эффект линзирования ослаб, объясняет Лу. Эти наблюдения будут получены из новых данных Хаббла осенью.
Они знают, что объект, о котором идет речь, находится в спиральном рукаве Карина-Стрелец галактики Млечный Путь и в настоящее время удален от Земли на расстояние около 5 000 световых лет. Это обнаружение также позволяет предположить, что ближайшая блуждающая черная дыра может находиться на расстоянии менее 100 световых лет, говорит Лу. Но это не повод для беспокойства.
"Черные дыры - это сток. Если вы подойдете достаточно близко, они поглотят вас", - отмечает Лу. "Но для этого нужно подойти очень близко, гораздо ближе, чем мы обычно себе представляем". Граница вокруг черной дыры, обозначающая линию, где свет все еще может избежать ее гравитации, называемая горизонтом событий, обычно имеет радиус менее 20 миль.
Вероятность того, что блуждающая черная дыра может пройти через наш небесный район и нарушить жизнь на Земле, "астрономически мала", - говорит Лу. "Это размер города. Поэтому черная дыра может пройти мимо Солнечной системы, а мы вряд ли заметим".
Но она не исключает этого. "Я ученый", - говорит она. "Я не могу сказать "нет шансов".
Независимо от того, обнаружили ли первые команды блуждающую черную дыру или нейтронную звезду, Лу говорит, что "настоящая революция, которую демонстрируют эти две работы, заключается в том, что теперь мы можем найти эти черные дыры, используя комбинацию измерений яркости и положения". Это открывает возможность для обнаружения новых кочевников, особенно по мере ввода в строй новых телескопов, включая строящуюся в настоящее время в Чили обсерваторию Веры К. Рубин и космический телескоп Нэнси Грейс Роман, запуск которого запланирован на конец этого десятилетия.
По мнению Лу, "следующая глава исследований черных дыр в нашей галактике уже началась".