Странное поведение звезды позволило выявить одинокую черную дыру, прячущуюся в гигантском звездном скоплении

1:14 18/01/2018
👁 303

Черная дыра

При помощи приемника MUSE, смонтированного на Очень Большом Телескопе ESO в Чили, астрономы обнаружили в скоплении NGC 3201 звезду с очень странным поведением. Оказалось, что она обращается вокруг невидимой черной дыры с массой около четырех солнечных масс. Это первый случай регистрации неактивной черной дыры звездной массы в шаровом скоплении и первое прямое обнаружение черной дыры по ее гравитационному притяжению. Сделано важное открытие, которое влияет на наши представления об образовании шаровых скоплений и черных дыр, о происхождении гравитационных волн.

Шаровые звездные скопления – гигантские сферические рои из десятков и сотен тысяч звезд, расположенные на периферии большинства галактик. Это одни из самых старых из известных во Вселенной звездных систем: они возникли в начальную эпоху образования и эволюции галактик. Сейчас в Млечном Пути известно более 150 таких объектов.

Одно из таких скоплений, NGC 3201, расположенное в южном созвездии Парусов, исследовано с приемником MUSE, смонтированном на Очень Большом Телескопе ESO в Чили. Бенжамин Гизерс (Benjamin Giesers) из университета Георга-Августа в Гёттингене (Германия) (Georg-August-Universität Göttingen) и его сотрудники обнаружили, что одна из звезд [1] в NGC 3201 ведет себя очень странно — колеблется со скоростью в несколько сотен тысяч километров в час, двигаясь то вперед, то назад с периодом в 167 дней [2].

Бенжамин Гизерс был заинтригован такими движениями звезды: “Она движется по орбите вокруг чего-то совершенно невидимого, имеющего массу более четырех солнечных масс. И это «что-то» может быть только черной дырой – первой черной дырой, открытой в шаровом скоплении по прямой регистрации ее гравитационного притяжения!”

Отношения между черными дырами и шаровыми скоплениями – важные и таинственные. Считается, что в скоплениях с их огромными массами и возрастом должно было накопиться множество черных дыр звездной массы, которые образовывались по мере того, как массивные звезды в скоплении взрывались и затем коллапсировали [3][4].

Благодаря созданному в ESO инструменту MUSE астрономы получили уникальную возможность одновременно измерять движения тысяч далеких звезд. С этим приемником Гизерс и его группа впервые смогли зарегистрировать неактивную — не поглощающую вещество и не окруженную светящимся газовым диском – черную дыру в сердце шарового скопления. Измерив движения звезды, захваченной ее мощным гравитационным притяжением, астрономы смогли оценить ее массу [5].

Из наблюдаемых параметров звезды была получена оценка ее массы примерно в 0.8 солнечных. Тогда масса ее таинственного компаньона должна составлять около 4.36 Солнц, что очень хорошо согласуется с предположением о том, что это черная дыра [6].

Недавние обнаружения в шаровых скоплениях источников радиоволн и рентгеновского излучения, а также регистрация в 2016 г. гравитационно-волновых сигналов, порожденных слиянием двух черных дыр звездных масс свидетельствуют о том, что эти сравнительно небольшие черные дыры, возможно, встречаются в шаровых скоплениях чаще, чем прежде считалось.

Гизерс заключает: “До недавнего времени предполагалось, что почти все черные дыры должны были за короткое время исчезнуть из шаровых скоплений и следовательно, таких систем, как обнаруженная нами, вообще не должно быть! Теперь ясно, что это не так. Наше открытие — первая прямая регистрация гравитационного притяжения черной дыры звездной массы в шаровом скоплении. Это очень важно для понимания процессов формирования шаровых скоплений, эволюции черных дыр и двойных систем, и особенно источников гравитационных волн.”

Примечания

[1] «Странная» звезда находится на стадии схода с главной последовательности, то есть, вступает в заключительную фазу своего развития: запасы водорода в ее недрах истощились и она будет постепенно превращаться в красного гиганта.

[2] С приемником MUSE в ESO при поддержке консорциума MUSE сейчас выполняется масштабный обзор 25 шаровых скоплений на периферии Млечного Пути. В каждом скоплении будет получено от 600 до 27 000 спектров звезд. Для индивидуальных звезд будет выполнен анализ лучевых скоростей: скоростей движения вдоль луча зрения от Земли или к ней. Эти измерения позволят определить параметры орбит звезд, а также свойства массивных объектов, вокруг которых они могут обращаться.

[3] В условиях отсутствия постоянного звездообразования, что и имеет место в шаровых скоплениях, черные дыры звездных масс быстро становятся самыми массивными объектами. В целом черные дыры звездных масс в шаровых скоплениях примерно вчетверо массивнее, чем окружающие их маломассивные звезды. Согласно последним теориям, эти черные дыры образуют в скоплении плотное ядро, которое изолируется от остального вещества скопления. Движения в центральной области скопления постепенно приводят к тому, что большинство черных дыр выбрасывается из скопления наружу, и спустя несколько миллиардов лет только несколько их остается в скоплении.

[4] Черные дыры звездных масс, или коллапсары, образуются, когда массивные звезды заканчивают свое существование, резко сжимаясь – коллапсируя – под действием собственного тяготения и затем взрываясь в виде гиперновых. В результате большая часть массы звезды – от нескольких масс Солнца до нескольких десятков – превращается в черную дыру.

[5] Свет не может покинуть черную дыру из-за действия ее чудовищной гравитации. Поэтому основной метод обнаружения черных дыр – наблюдения радио- или рентгеновского излучения горячего вещества в их окрестностях. Но когда, как в данном случае, черная дыра не накапливает массу и не разогревает в процессе этого окружающее вещество по причине его отсутствия, она неактивна и невидима, и тогда требуются другие методы ее обнаружения.

[6] Так как несветящийся объект в этой системе непосредственно не наблюдается, можно предложить альтернативные, хотя и гораздо менее убедительные объяснения его природы. Возможно, мы наблюдаем тройную звезду, в центре которой находится тесная пара нейтронных звезд, а наблюдаемая звезда обращается вокруг них. Но в этом сценарии каждая из нейтронных звезд должна иметь массу по крайней мере в две солнечных. Такие системы никогда еще не наблюдались.


Источник

Добавить комментарий