Астрономы, как известно, сделали первое в истории прямое изображение чёрной дыры в 2019 году — благодаря материалу, светящемуся в её присутствии. Но многие чёрные дыры на самом деле почти невозможно обнаружить. Теперь же другая команда, использующая космический телескоп Хаббл, похоже, наконец-то нашла то, чего никто раньше не видел: чёрную дыру, которая совершенно невидима. Исследование, которое было размещено в Интернете и представлено для публикации в Astrophysical Journal, на данный момент ещё не прошло рецензирование.
Чёрные дыры — это то, что остаётся после гибели крупных звёзд и коллапса их ядер. Они невероятно плотные, с такой сильной гравитацией, что ничто не может двигаться достаточно быстро, чтобы избежать их, включая свет. Астрономы заинтересованы в изучении чёрных дыр, потому что они могут многое рассказать нам о том, как умирают звёзды. Измеряя массы чёрных дыр, человечество может узнать, что происходило в последние моменты жизни звёзд, когда их ядра разрушались, а внешние слои удалялись.
Может показаться, что чёрные дыры по определению невидимы — в конце концов, они заслужили своё название благодаря своей способности улавливать свет. Но мы всё ещё можем обнаружить их по тому, как они взаимодействуют с другими объектами благодаря их сильной гравитации. Сотни маленьких чёрных дыр были обнаружены благодаря тому, как они взаимодействуют с другими звёздами.
Существует два различных подхода к такому обнаружению. С помощью «рентгеновских двойных звёзд», в которых звезда и чёрная дыра вращаются вокруг общего центра, испуская рентгеновские лучи, при этом гравитационное поле чёрной дыры может притягивать материал от своего компаньона. Материал вращается вокруг чёрной дыры, нагреваясь при этом за счёт трения. Горячий материал ярко светится в рентгеновском свете, делая чёрную дыру видимой, а затем втягивается в чёрную дыру и исчезает. Вы также можете обнаружить пары чёрных дыр, когда они сливаются вместе, закручиваясь по спирали внутрь и испуская короткие вспышки гравитационных волн, которые представляют собой рябь в пространстве-времени.
Однако существует много чёрных дыр-изгоев, которые дрейфуют в космосе, ни с чем не взаимодействуя, что затрудняет их обнаружение. Это проблема, потому что если мы не можем обнаружить изолированные чёрные дыры, то мы не можем узнать о том, как они образовались, и о гибели звёзд, из которых они произошли.
Новые тёмные горизонты
Чтобы обнаружить такую невидимую чёрную дыру, команде учёных пришлось объединить два разных типа наблюдений в течение нескольких лет. Это впечатляющее достижение обещает новый способ обнаружения ранее неуловимого класса изолированных чёрных дыр.
Общая теория относительности Эйнштейна говорит о том, что массивные объекты будут искривлять свет, когда он проходит мимо них. Это означает, что любой свет, проходящий очень близко к невидимой чёрной дыре, но недостаточно близко, чтобы оказаться внутри неё, будет преломляться подобно свету, проходящему через линзу. Это называется гравитационным линзированием, и его можно заметить, когда объект переднего плана выравнивается с объектом заднего плана, преломляя его свет. Этот метод уже использовался для изучения всего, от скоплений галактик до планет вокруг других звёзд.
Авторы этого нового исследования для поиска чёрных дыр объединили два типа наблюдений гравитационного линзирования. Всё началось с того, что они заметили свет от далёкой звезды, который внезапно усилился, ненадолго заставив его казаться ярче, прежде чем вернуться к нормальному состоянию. Однако они не могли видеть какой-либо объект на переднем плане, который вызывал увеличение в процессе гравитационного линзирования. Это навело их на мысль, что объект может быть одинокой чёрной дырой, чего раньше никто не видел. Проблема заключалась в том, что это также могла быть просто слабая звезда.
Выяснение того, была ли это чёрная дыра или тусклая звезда, потребовало проведения большой работы, и именно здесь появился второй тип наблюдений гравитационного линзирования. Авторы в течение 6 лет неоднократно делали снимки Хабблом, измеряя, как далеко двигалась звезда, когда её свет отклонялся.
В конечном итоге это позволило им рассчитать массу и расстояние до объекта, вызвавшего эффект линзирования. Они обнаружили, что его масса примерно в 7 раз превышает массу нашего Солнца, и это находится на расстоянии около 5 тысяч световых лет от нас, что звучит далеко, но на самом деле объект относительно близко, отчего звезду такого размера и расположенную так близко мы могли бы увидеть. Но поскольку её не видно, учёные пришли к выводу, что это, должно быть, изолированная чёрная дыра.
Провести такое количество наблюдений с помощью такой обсерватории, как Хаббл, непросто. Телескоп очень популярен и пользуется спросом. А, учитывая сложность подтверждения такого объекта, вы можете подумать, что перспективы найти больше таких объектов невелики. К счастью, человечество находится в начале революции в астрономии. Это стало возможным благодаря оборудованию нового поколения, в том числе космическому телескопу оптического диапазона Gaia, а также строящейся обсерватории Веры Рубин и римскому космическому телескопу Нэнси Грейс, которые будут проводить повторные измерения больших участков неба с беспрецедентной детализацией.
Это будет иметь огромное значение для всех областей астрономии. Наличие регулярных высокоточных измерений такой большой части неба позволит учёным исследовать массовые явления, которые меняются в очень короткие сроки. Специалисты будут по-новому изучать такие разнообразные явления, как астероиды, взрывающиеся звёзды, известные как сверхновые, и планеты вокруг других звёзд.
Когда дело доходит до поиска невидимых чёрных дыр, это означает, что вместо того, чтобы праздновать обнаружение только одной, мы вскоре сможем находить их так много, что это станет самой настоящей рутиной, что, вероятно, позволит учёным заполнить пробелы в нашем понимании гибели звёзд и образовании чёрных дыр.
В конечном счёте, невидимым чёрным дырам галактики будет гораздо труднее спрятаться.
