Астрономам з п'яти колаборацій вдалося отримати перше однозначне свідчення існування «блукаючої» чорної діри та навіть оцінити її масу і швидкість руху. Щоб знайти ізольовану чорну діру, яка не взаємодіє з чимось (наприклад, зіркою) поруч, вченим знадобилися шість років спостереження «Габбла». Так методом гравітаційного мікролінзування вдалося визначити, що міжзоряним простором зі швидкістю 45 кілометрів на секунду летить чорна діра з масою у сім Сонць. Стаття про першу підтверджену ізольовану чорну діру готується до публікації у The Astrophysical Journal, а поки доступний її препринт на сервісі arXiv.
Серія зображень «Габбла», за якою можна відстежити зміну яскравості зірки. Kailash C. Sahu et al. / arxiv.org, 2022
Як шукають чорні діри?
Доля перетворення на об'єкт, за межі якого не зможе вийти навіть світло, зазвичай чекає на зірки з масою більшою за 20 сонячних. Це приблизно 0,1 відсотка всіх зірок, що дає можливість припустити, що у Галактиці є принаймні 10 мільйонів чорних дір. Втім, не всім їм пощастить потрапити до рук астрономам — виявлення чорних дір є складною задачею з точки зору спостережень, що вже казати про визначення їхніх характеристик, наприклад, маси.
Завдання полегшується, якщо чорна діра має якусь зоряну сусідку. Так завдяки впливу на світило-компаньйона, чорну діру можна викрити через гамма-, рентгенівське та радіовипромінення, поки вона, наприклад, витягує матеріал із зірки поруч. Або ж за її впливом на рух компаньйона чи за гравітаційними хвилями від такої взаємодії. Цими методами з різним ступенем точності вдалося виявити маси понад двох десятків чорних дір з подвійних систем. І жодної самотньої або ізольованої, тобто такої, що не народилася у подвійній системі.
Пошуками такого об'єкту і зайнялися астрономи з п'яти різних колаборацій — вони шукали у даних космічного телескопа «Габбл» лінзування, за яке могла б бути відповідальною ізольована або «блукаюча» чорна діра зоряної маси. Такий об'єкт буде менш спотворений взаємодіями з тими ж зірками, а отже потенційно стане кращим для того, щоб пояснити механізми появи чорних дір загалом.
Звідки вчені взяли, що такі існують?
Насправді дійсно, зорі рідко народжують поодинці і більшість дійсно існує у подвійних, потрійних та більше системах. Втім, за підрахунками, приблизно 30 відсотків масивних світил все ж народжуються окремо. Або ж перетворюються на самотніх якщо знаходилися у тісній бінарній системі та у ході еволюції пережили злиття. Або їх виштовхне спалахом наднової зірки-сусідки. Так чи інакше, у ізольованих чорних дір нічим не менше шансів рухатися міжзоряним простором, однак набагато менше шансів бути у ньому виявленими.
Оскільки власного світла чорна діра не випромінює, акреція матеріалу з міжзоряного середовища навколо не є такою яскравою подією, щоб утворювати помітне радіо- чи рентгенівське випромінювання, а нікого поруч, щоб видати об'єкт немає, для прямого спостереження ізольовані чорні діри є доволі складним завданням. І єдине, що залишається астрономам — гравітаційне мікролінзування та зоря, повз яку пройде чорна діра так, що спричинить відхилення її світла. Таку і знайшли дослідники у даних телескопа «Габбл».
Зображення з MOA-11-191/OGLE-11-0462 у центрі, яке отримав «Габбл». Зеленим кольором обведена зірка-джерело, яка тепер повернулася до базової світності. Kailash C. Sahu et al. / arxiv.org, 2022
Де блукає чорна діра?
Подія мікролінзування відбувається, коли зірка або компактний об'єкт (лінза) проходить майже точно перед фоновою зіркою (джерелом). Відповідно до теорії відносності, лінза збільшить яскравість, а також дещо змістить видиме положення джерела. І в рамках програм, що займаються їхнім пошуком, вже виявлено понад 30 тисяч таких подій. А оскільки чорні діри займають нехай невелику, але все ж таку, якою не можна нехтувати, частку від загальної зіркової маси Галактики, то цілком імовірно, що серед них знайдеться і подія, пов'язана з чорною дірою.
Події, викликані масивними компактними об'єктами, тобто такими, як чорні діри, швидше за все відрізнятимуться більшою тривалістю та відсутністю вкладу світла від лінзи. І 2011 року незалежно одна від одної дві програми моніторингу подій мікролінзування MOA і OGLE виявили у двох градусах від галактичного центру подію MOA-11-191/OGLE-11-0462. Лінза не випромінює помітного світла, що враховуючи більшу масу, ніж можлива для білого карлика або нейтронної зірки, підтверджує її походження від чорної діри.
Відомих джерел рентгенівського або радіовипромінювання на позиції МОА-11-191/ОГЛЕ-11-0462 немає, але спостерігаючи за відхиленням світла, дослідники зробили висновок, що об'єкт, що створює гравітаційну лінзу, розташований на відстані трохи більше п'яти тисяч світлових років і має масу 7,1 маси Сонця. Астрономам також вдалося вирахувати швидкість чорної діри — 45 кілометрів на секунду. Імовірно, так її міг розігнати поштовх від вибуху наднової, який і породив її.
З чорними дірами nauka.ua розбиралася у картках «Що таке чорна діра?», а нещодавно ми розповідали про перше переконливе свідчення тому, що у карликових галактиках замість того, щоб придушувати народження зірок, центральна надмасивна чорна діра може йому сприяти.
колаборація RoboNet, яка також працює методом гравітаційного мікролінзування, так само як і PLANET Collaboration та польський проєкт з пошуку об'єктів методом мікролінзування Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE)