Открытие «тройной чёрной дыры» — возможное первое доказательство «мягкого» образования чёрных дыр

Художественное представление рентгеновской двойной черной дыры V404 Cygni. Автор: Jorge Lugo

Многие обнаруженные на сегодняшний день черные дыры, по-видимому, являются частью пары. Эти двойные системы состоят из черной дыры и вторичного объекта — например, звезды, гораздо более плотной нейтронной звезды или другой черной дыры, — которые вращаются по спирали вокруг друг друга, притягиваемые гравитацией черной дыры, образуя тесную орбитальную пару.

Удивительное открытие, касающееся черной дыры V404 Cygnus, расширяет наши представления о черных дырах, объектах, которые они могут вмещать, и способах их формирования.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature, физики из Массачусетского технологического института и Калифорнийского технологического института сообщают, что им впервые удалось наблюдать «тройную черную дыру».

Новая система содержит центральную черную дыру в процессе поглощения небольшой звезды, которая движется по спирали очень близко к черной дыре каждые 6,5 дней — конфигурация, похожая на конфигурацию большинства двойных систем. Но удивительно, что вторая звезда, похоже, также вращается вокруг черной дыры, хотя и на гораздо большем расстоянии. Физики подсчитали, что этот далекий компаньон совершает оборот вокруг черной дыры каждые 70 000 лет.

Однако открытие команды предполагает, что если недавно обнаруженная черная дыра возникла в результате типичной сверхновой, то энергия, которую она высвободила бы перед коллапсом, вытолкнула бы все слабо связанные объекты на ее окраинах. Вторая, внешняя звезда, таким образом, не должна была бы все еще висеть где-то поблизости.

Вместо этого команда подозревает, что черная дыра образовалась в результате более мягкого процесса «прямого коллапса», в котором звезда просто обрушивается на себя, образуя черную дыру без последней драматической вспышки. Такое мягкое происхождение вряд ли потревожит какие-либо слабо связанные, далекие объекты.

Поскольку новая тройная система включает очень далекую звезду, это говорит о том, что черная дыра системы родилась в результате более мягкого, прямого коллапса. И хотя астрономы наблюдали более сильные сверхновые на протяжении столетий, команда говорит, что новая тройная система может быть первым свидетельством черной дыры, которая образовалась в результате этого более мягкого процесса.

«Мы считаем, что большинство черных дыр образуются в результате мощных взрывов звезд, но это открытие помогает поставить это под сомнение», — говорит автор исследования Кевин Бердж, стипендиат Паппалардо на кафедре физики Массачусетского технологического института. «Эта система очень интересна для изучения эволюции черных дыр, а также поднимает вопросы о том, существуют ли еще тройки».

Соавторами исследования в Массачусетском технологическом институте являются Эрин Кара, Клод Канисарес, Дипто Чакрабарти, Анна Фребель, Сара Миллхолланд, Сол Раппапорт, Роб Симко и Эндрю Вандербург, а также Карим Эль-Бадри из Калтеха.

Тандемное движение

Открытие тройной черной дыры произошло почти случайно. Физики обнаружили ее, просматривая Aladin Lite, хранилище астрономических наблюдений, собранных с телескопов в космосе и по всему миру. Астрономы могут использовать этот онлайн-инструмент для поиска изображений одной и той же части неба, полученных с разных телескопов, настроенных на разные длины волн энергии и света.

С тех пор V404 Cygni стала одной из наиболее хорошо изученных черных дыр и была задокументирована в более чем 1300 научных работах. Однако ни одно из этих исследований не сообщало о том, что наблюдали Бердж и его коллеги.

Когда он смотрел на оптические изображения V404 Cygni, Бердж увидел то, что показалось ему двумя световыми пятнами, на удивление близкими друг к другу. Первое пятно было тем, что другие определили как черную дыру и внутреннюю, близко вращающуюся по орбите звезду. Звезда находится так близко, что она сбрасывает часть своего материала на черную дыру и испускает свет, который Бердж мог видеть.

Однако вторая капля света была чем-то, что ученые не исследовали подробно до сих пор. Этот второй свет, как определил Бердж, скорее всего, исходил от очень далекой звезды.

«Тот факт, что мы можем видеть две отдельные звезды на таком большом расстоянии, на самом деле означает, что звезды должны находиться очень далеко друг от друга», — говорит Бердж, который подсчитал, что внешняя звезда находится на расстоянии 3500 астрономических единиц (а.е.) от черной дыры (1 а.е. — расстояние между Землей и Солнцем).

Другими словами, внешняя звезда находится в 3500 раз дальше от черной дыры, чем Земля от Солнца. Это также равно 100 расстояниям между Плутоном и Солнцем.

Вопрос, который тогда пришел на ум, был в том, связана ли внешняя звезда с черной дырой и ее внутренней звездой. Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи обратились к Gaia, спутнику, который с точностью отслеживал движения всех звезд в галактике с 2014 года.

Команда проанализировала движения внутренних и внешних звезд за последние 10 лет данных Gaia и обнаружила, что звезды двигались точно в тандеме по сравнению с другими соседними звездами. Они подсчитали, что вероятность такого тандемного движения составляет примерно один к 10 миллионам.

«Это почти наверняка не совпадение и не случайность», — говорит Бердж. «Мы видим две звезды, которые следуют друг за другом, потому что их связывает эта слабая нить гравитации. Так что это должна быть тройная система».

Дергать за ниточки

Как же тогда могла образоваться система? Если бы черная дыра возникла из типичной сверхновой, то мощный взрыв давно бы отбросил внешнюю звезду.

«Представьте, что вы тянете воздушного змея, и вместо прочной нити вы тянете паутину», — говорит Бердж. «Если вы потянете слишком сильно, паутина порвется, и вы потеряете воздушного змея. Гравитация — это как эта едва связанная нить, которая очень слаба, и если вы сделаете что-то радикальное с внутренней двойной звездой, вы потеряете внешнюю звезду».

Однако, чтобы по-настоящему проверить эту идею, Бердж провел моделирование, чтобы увидеть, как могла развиться такая тройная система и сохранить внешнюю звезду.

В начале каждой симуляции он вводил три звезды (третья была черной дырой, до того, как она стала черной дырой). Затем он провел десятки тысяч симуляций, каждая из которых имела немного отличающийся сценарий того, как третья звезда могла стать черной дырой, и впоследствии повлиять на движения двух других звезд.

Например, он смоделировал сверхновую, варьируя количество и направление энергии, которую она выделяла. Он также смоделировал сценарии прямого коллапса, в которых третья звезда просто обрушивалась сама на себя, образуя черную дыру, не выделяя никакой энергии.

«Подавляющее большинство симуляций показывают, что самый простой способ заставить эту тройку работать — это прямой коллапс», — говорит Бердж.

Помимо того, что внешняя звезда дала подсказки о происхождении черной дыры, она также раскрыла возраст системы. Физики заметили, что внешняя звезда находится в процессе превращения в красного гиганта — фаза, которая происходит в конце жизни звезды.

На основе этого звездного перехода команда определила, что внешней звезде около 4 миллиардов лет. Учитывая, что соседние звезды рождаются примерно в то же время, команда приходит к выводу, что тройке черных дыр также 4 миллиарда лет.

«Мы никогда не могли сделать этого раньше для старой черной дыры», — говорит Бердж. «Теперь мы знаем, что V404 Cygni является частью тройной, она могла образоваться в результате прямого коллапса, и она образовалась около 4 миллиардов лет назад, благодаря этому открытию».

Больше информации: Kevin Burdge, The black hole low-mass X-ray binary V404 Cygni is part of a wide triple, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-08120-6. www.nature.com/articles/s41586-024-08120-6

Источник: Massachusetts Institute of Technology