Физики впервые обнаружили тройную черную дыру

Звездную систему, в которой центральная черная дыра поглощает маленькую звезду, а вторая звезда вращается вокруг нее обнаружили физики из Массачусетского технологического института и Калифорнийского технологического института. Об этом 24 октября сообщает научный журнал Nature.

«Тройная черная дыра», наблюдается учеными впервые: новая система состоит из массивной черной дыры в центре, которая поглощает небольшую звезду, движущуюся по спирали очень близко к черной дыре и делая полный оборот каждые 6,5 дня. Эта конфигурация аналогична большей части бинарных систем, однако вторая звезда, похоже, также вращается вокруг еще черной дыры, хотя и на гораздо большем расстоянии.

По оценкам исследователей, этот своеобразный спутник совершает оборот вокруг черной дыры за период 70 000 лет.

Многие черные дыры, обнаруженные учеными ранее, как правило, являтся частью звездной пары. Эти двойные системы включают в себя черную дыру и вторичный объект, такой как звезда, или гораздо более плотная нейтронная звезда или другая черная дыра, вращающиеся по спирали друг вокруг друга, притягиваемые гравитацией черной дыры и образующие пару близких орбит.

Новые данные обещают расширить представление о черных дырах, объектах, которые они могут содержать, и о том, как они формируются. Тот факт, что черная дыра, по-видимому, гравитационно удерживает столь далекий объект, ставит вопрос о происхождении самой черной дыры.

Считается, что черные дыры образуются в результате мощного взрыва умирающей звезды — рождения сверхновой, при котором звезда высвобождает огромное количество энергии и света в последнем взрыве, прежде чем схлопнуться в невидимую черную дыру.

Однако данное открытие предполагает, что если бы эта недавно обнаруженная черная дыра была результатом рождения типичной сверхновой, то энергия, которую она высвободила бы перед коллапсом, оттолкнула бы любые объекты, слабо связанные с ее периферией. Следовательно, второй внешней звезды рядом быть не может. Вместо этого группа ученых подозревает, что черная дыра образовалась в результате более плавного процесса «прямого коллапса», при котором звезда просто схлопывается без взрыва, образуя черную дыру.

Столь деликатное происхождение вряд ли могло бы потревожить какой-либо далекий и отдаленно родственный объект в звездной системе.

Поскольку новая тройная система включает в себя очень далекую звезду, это позволяет предположить, что черная дыра системы родилась в результате более мягкого прямого коллапса. И хотя астрономы веками наблюдали более сильные сверхновые, исследовательская группа полагает, что новая тройная система может стать первым свидетельством существования черной дыры, образовавшейся в результате этого более деликатного процесса.

«Мы думаем, что большинство черных дыр образуются в результате сильных взрывов звезд, но это открытие помогает оспорить эту гипотезу», — отметил Кевин Бердж, научный сотрудник физического факультета Массачусетского технологического института и автор исследования.

«Эта система очень интересна для эволюции черных дыр, а также поднимает вопрос о том, существуют ли еще тройки», — продолжает он.

Открытие тройной черной дыры произошло почти случайно: физики нашли ее, просматривая Aladin Lite — архив астрономических наблюдений, собранный с телескопов в космосе и по всему миру. Астрономы могут использовать онлайн-инструмент для поиска изображений одной и той же части неба, полученных разными телескопами, настроенными на разные длины волн энергии и света.

Команда ученых искала Млечный путь в поисках признаков новых черных дыр. Из любопытства Бердж в 1992 году изучил изображение V404 Лебедя, черной дыры на расстоянии около 8000 световых лет от Земли, одного из самых первых объектов, когда-либо подтвержденных как черная дыра. С тех пор V404 Лебедя стала одним из наиболее изученных черных дыр и была описана в более чем 1300 научных статьях.

Однако ни одно из этих исследований не сообщило о том, что наблюдали Бердж и его коллеги.

Глядя на оптические изображения V404 Лебедя, Бердж увидел нечто похожее на два пятна света, расположенные на удивление близко друг к другу. Первая пятно было тем, что другие определили как черную дыру и внутреннюю звезду, вращающуюся по близкой орбите.

Звезда находится так близко, что выбрасывает часть своего материала на черную дыру, излучая свет, который мог видеть Бердж. Однако второе пятно света было тем, что ученые до сих пор внимательно не изучали. Этот второй свет, скорее всего, исходил от очень далекой звезды.

«Тот факт, что мы можем видеть две отдельные звезды на таком расстоянии, на самом деле означает, что звезды действительно должны быть очень далекими», — сказал Бердж, который подсчитал, что внешняя звезда находится на расстоянии 3500 а. е. (астрономических единиц), от черной дыры.

А.Е. — это расстояние между Землей и Солнцем. Другими словами, внешняя звезда находится в 3500 раз дальше от черной дыры, чем Земля от Солнца. Это также эквивалентно стократному расстоянию между Плутоном и Солнцем.

Затем ученые задались вопросом, связана ли внешняя звезда с черной дырой и ее внутренней звездой. Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи обратились к спутнику Gaia, который с 2014 года точно отслеживает движения всех звезд в галактике. Команда ученых проанализировала движения внутренних и внешних звезд за последние 10 лет помощью Gaia и обнаружили, что звезды двигались точно в тандеме относительно других близлежащих звезд. Исследователи подсчитали, что вероятность такого типа тандемного движения составляет примерно один к 10 миллионам.

«Это почти наверняка не совпадение или случайность», — сказал Бердж. «Мы наблюдаем две звезды, следующие друг за другом, потому что они связаны этой слабой гравитационной струной; значит, это должна быть тройная система», — уверен Бердж.

Чтобы по-настоящему проверить эту идею, Бердж провел моделирование, чтобы увидеть, как такая тройная система может развиваться и сохранять внешнюю звезду. В начале каждого моделирования он вводил три звезды, третья из которых была черной дырой. Затем ученый провел десятки тысяч симуляций, каждая из которых имела немного отличающийся сценарий того, как третья звезда могла стать черной дырой, и впоследствии повлияла на движения двух других звезд. Например, он смоделировал сверхновую, варьируя количество и направление испускаемой ею энергии.

Бердж также смоделировал сценарии прямого коллапса, в которых третья звезда просто схлопнулась сама по себе, образовав черную дыру, не испуская никакой энергии.

«Подавляющее большинство симуляций показывают, что самый простой способ заставить это тройное уравнение работать — это прямой коллапс», — отметил Бердж.

Внешняя звезда не только дала ключ к разгадке происхождения черной дыры, но и раскрыла возраст системы. Физики заметили, что внешняя звезда находится в процессе превращения в красного гиганта — фаза, которая наступает в конце жизни звезды. На основании этого звездного перехода исследовательская группа определила, что возраст внешней звезды составляет около 4 миллиардов лет.

Поскольку близлежащие звезды рождаются примерно в одно и то же время, группа ученых считает, что возраст черной дыры в три раза больше, чем 4 миллиарда лет.

«Мы никогда раньше не могли сделать этого со старой черной дырой», — подчеркнул Бердж. «Теперь мы знаем, что V404 Лебедя является частью тройки, возможно, образовавшейся в результате прямого коллапса и образовавшейся около 4 миллиардов лет назад благодаря этому открытию», — резюмировал ученый.