В 2011 году астрономы заметили черную дыру, свободно блуждающую в межзвездном пространстве. Исследование, опубликованное в начале этого года, только что получило важное подтверждение. Вторая группа ученых, проводившая отдельный, независимый анализ, также заметила загадочный объект. В исследовании принимали участие ученые из Астрономической обсерватории Варшавского университета.
Черные дыры по своей природе невидимы, если только они не являются частью бинарной системы со звездой или не окружены аккреционным диском. Однако, за исключением случаев, когда черные дыры поглощают материю, их трудно наблюдать, поскольку черные дыры настолько массивны, что даже свет не может противостоять их гравитационной хватке. Астрономы делают вывод об их присутствии по гравитационным эффектам, оказываемым на их окружение, то есть по поведению звезд и материи в непосредственной близости от них.
По этой причине черные дыры оставались теоретическими объектами в течение многих лет, хотя их существование было предсказано еще в 18 веке Пьером Лапласом или Карлом Шварцшильдом, среди прочих, как результат общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Теперь мы знаем, что в центре почти каждой галактики находится сверхмассивная черная дыра. Для галактик, похожих на наш Млечный Путь, массы сверхмассивных черных дыр варьируются от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов солнечных масс. Для сравнения, масса черной дыры в Млечном Пути составляет пять миллионов солнечных масс.
Но исследователи уже давно предполагали, что в межзвездном пространстве может существовать множество свободно движущихся черных дыр, вращающихся по орбитам, однако до сих пор ни одна из них не была замечена. В данных наблюдений проекта OGLE в 2011 году ученые заметили явление гравитационного микролинзирования, обозначенное как OGLE-2011-BLG-0462. Первоначально исследователи полагали, что микролинзирование вызвано присутствием одинокой черной дыры, перемещающейся в межзвездном пространстве. Теперь независимый анализ, проведенный другой группой исследователей, подтвердил ранее высказанное предположение. Однако новое исследование показывает, что необходимо больше данных, чтобы с уверенностью заключить, что объект является черной дырой, так как это может быть нейтронная звезда
Результаты анализа были представлены для публикации в журнале The Astrophysical Journal. Теперь с ними можно ознакомиться в базе данных препринтов arXiv (arXiv.2202.01903).
Гравитационное микролинзирование
Примерно в пяти тысячах световых лет от Земли в созвездии Стрельца ученые заметили черную дыру, свободно перемещающуюся по галактике. Объект удалось заметить благодаря явлению гравитационного микролинзирования.
Гравитация искривляет пространство-время. Чем плотнее объект, тем сильнее его гравитационная сила, а когда объект настолько плотный, как черная дыра, искривление настолько невероятно, что он действует как линза, увеличивая и искажая источник света позади него. Явление микролинзирования происходит, когда свет от далекого источника изгибается под воздействием более близкого объекта, называемого линзой. Масса линзы искривляет пространство вокруг нее, что приводит к отклонению лучей света, в результате чего источник становится ярче.
Другими словами, гравитационное микролинзирование происходит, когда гравитация объектов изгибает и усиливает свет от более отдаленных звезд, когда источник излучения, линзирующий объект и наблюдатель на Земле находятся на одной линии. Если линза — звезда, то яркость длится от нескольких дней до ста дней, а если линза — планета, то от нескольких часов до нескольких дней.
Явление гравитационного микролинзирования уже использовалось для идентификации небольших, слабых объектов, таких как свободно плавающие планеты, которые иначе было бы слишком сложно увидеть с помощью наших телескопов. Но это первый случай обнаружения одинокой черной дыры с помощью микролинзирования.
Ученые считают, что на последней стадии жизни массивных звезд, то есть при взрывах сверхновых, образуются черные дыры с массами от нескольких до десятка солнечных масс. Такие объекты должны быть очень многочисленны в галактике. По оценкам, их число достигает нескольких миллионов. Однако эти одиночные объекты, блуждающие по Млечному Пути, скрываются от нашего взора.
2 июня 2011 года ученые из проекта OGLE Варшавского университета наблюдали явление гравитационного микролинзирования, обозначенное как OGLE-2011-BLG-0462, которое также было зафиксировано новозеландско-японским проектом MOA.
— В момент обнаружения яркости, несомненно, вызванной микролинзированием, мы явно не думали, что этот объект окажется настолько интересным и революционным для астрофизики. И он стал еще одной жемчужиной среди 22 000 явлений микролинзирования, которые мы обнаружили», — признался в пресс-релизе профессор Анджей Удальский из Астрономической обсерватории Варшавского университета.
Одинокая черная дыра
Команда OGLE регулярно наблюдала за обсуждаемым гравитационным микролинзированием OGLE-2011-BLG-0462 в течение девяти лет, собрав 15 545 точных измерений яркости объекта, которые были использованы для моделирования фотометрического эффекта явления.
Как только стало известно, что временные масштабы явления велики (а значит, объект линзирования массивный), группа ученых под руководством профессора Кайлаши Саху из Научного института космического телескопа (США) во второй половине 2011 года начала наблюдения на космическом телескопе «Хаббл», проводя астрометрические измерения. Дальнейшие измерения проводились в последующие годы и были дополнены в 2021 году измерениями другой команды под руководством аспиранта Кейси Лам и профессора Джессики Лу из Калифорнийского университета в Беркли (США).
Моделирование показывает, что невидимый объект, вызывающий гравитационное микролинзирование, имеет массу, в семь или 4,2 раза превышающую массу Солнца. Это результаты обеих исследовательских групп — разница обусловлена несколько иным способом анализа данных, но массы указывают на то, что наиболее вероятным объектом здесь является черная дыра.
— Результаты моделирования четко указывают на то, что явление OGLE-2011-BLG-0462 было вызвано массивным объектом с массой в несколько солнечных масс. Поскольку свет от обычной звезды такой массы был бы легко зарегистрирован, линза должна быть несветящимся объектом — свободной черной дырой звездной массы, объясняет доктор Пшемыслав Мроз — член команды OGLE, участвовавшей в моделировании этого явления.
Открытие первой свободной черной дыры в Млечном Пути подтверждает предположение о том, что таких объектов должно быть много. Это также открывает новый способ обнаружения черных дыр. Ученые надеются найти больше случаев одиноких черных дыр, в том числе с помощью космической обсерватории Gaia, что позволит оценить популяцию этих объектов в нашей галактике, а также определить распределение их массы.
Источник: Калифорнийский университет — Беркли, Астрономическая обсерватория Варшавского университета, PAP, фото: ECYT, IAC
