В новой системе центральная чёрная дыра поглощает маленькую звезду, которая приближается к ней по спирали каждые 6,5 дней. Эта конфигурация похожа на большинство двойных систем. Но, что удивительно, вторая звезда, по-видимому, тоже вращается вокруг чёрной дыры, хотя и на гораздо большем расстоянии. По оценкам физиков, эта далёкая звезда обращается вокруг чёрной дыры каждые 70 000 лет.
То, что чёрная дыра, по-видимому, оказывает гравитационное воздействие на объект, находящийся так далеко от неё, вызывает вопросы о происхождении самой чёрной дыры. Считается, что чёрные дыры образуются в результате мощного взрыва умирающей звезды — процесса, известного как сверхновая, при котором звезда высвобождает огромное количество энергии и света в финальном взрыве, прежде чем превратиться в невидимую чёрную дыру.
Однако открытие, сделанное командой учёных, позволяет предположить, что если бы недавно обнаруженная чёрная дыра образовалась в результате типичной сверхновой, то энергия, которую она выделила бы перед коллапсом, отбросила бы все слабо связанные объекты на её окраинах. Таким образом, вторая, внешняя звезда не должна была бы до сих пор существовать.
Вместо этого команда учёных предполагает, что чёрная дыра образовалась в результате более мягкого процесса «прямого коллапса», при котором звезда просто сжимается, образуя чёрную дыру без последней яркой вспышки. Такое мягкое образование вряд ли могло бы повлиять на какие-либо слабо связанные с ней далёкие объекты.
Поскольку новая тройная система включает в себя очень далёкую звезду, это позволяет предположить, что чёрная дыра в этой системе образовалась в результате более мягкого прямого коллапса. И хотя астрономы на протяжении веков наблюдали более мощные сверхновые, команда исследователей утверждает, что новая тройная система может быть первым доказательством того, что чёрная дыра образовалась в результате более мягкого процесса.
«Мы считаем, что большинство чёрных дыр образуются в результате мощных взрывов звёзд, но это открытие ставит это под сомнение», — говорит автор исследования Кевин Бёрдж, научный сотрудник Паппалардо на факультете физики Массачусетского технологического института. «Эта система очень интересна с точки зрения эволюции чёрных дыр, и она также поднимает вопрос о том, существуют ли другие тройные системы».
Соавторами исследования в Массачусетском технологическом институте являются Эрин Кара, Клод Канизарес, Дипто Чакрабарти, Анна Фребель, Сара Миллхолланд, Сол Раппапорт, Роб Симко и Эндрю Вандербург, а также Карим Эль-Бадри из Калифорнийского технологического института.
Тандемное движение
Открытие тройной чёрной дыры произошло почти случайно. Физики обнаружили её, просматривая Aladin Lite — хранилище астрономических наблюдений, собранных с помощью телескопов в космосе и по всему миру. Астрономы могут использовать этот онлайн-инструмент для поиска изображений одной и той же части неба, сделанных разными телескопами, настроенными на разные длины волн энергии и света.
Команда учёных искала в галактике Млечный Путь признаки новых чёрных дыр. Из любопытства Бёрдж просмотрел изображение V404 Лебедя — чёрной дыры, находящейся примерно в 8000 световых годах от Земли, которая в 1992 году стала одним из первых объектов, подтверждённых как чёрная дыра.
С тех пор V404 Лебедя стала одной из наиболее изученных чёрных дыр и была описана в более чем 1300 научных статьях. Однако ни в одном из этих исследований не сообщалось о том, что наблюдали Бёрдж и его коллеги.
Изучая оптические изображения V404 Лебедя, Бёрдж увидел два светящихся пятна, расположенных удивительно близко друг к другу. Первое пятно, как решили другие учёные, было чёрной дырой, а второе — внутренней звездой, вращающейся вокруг неё. Звезда находится так близко, что часть её вещества попадает в чёрную дыру и излучает свет, который увидел Бёрдж.
Однако второй сгусток света учёные до сих пор не изучали. Этот второй свет, как определил Бёрдж, скорее всего, исходил от очень далёкой звезды.
«Тот факт, что мы можем видеть две отдельные звезды на таком большом расстоянии, на самом деле означает, что звёзды находятся очень далеко друг от друга», — говорит Бёрдж, который подсчитал, что внешняя звезда находится на расстоянии 3500 астрономических единиц (а.е.) от чёрной дыры (1 а.е. — это расстояние между Землёй и Солнцем).
Другими словами, внешняя звезда находится в 3500 раз дальше от чёрной дыры, чем Земля от Солнца. Это также в 100 раз больше расстояния между Плутоном и Солнцем.
Тогда возник вопрос, связана ли внешняя звезда с чёрной дырой и её внутренней звездой. Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи обратились к Gaia — спутнику, который с 2014 года точно отслеживает движение всех звёзд в галактике.
Команда исследователей проанализировала движение внутренних и внешних звёзд за последние 10 лет по данным Gaia и обнаружила, что звёзды двигались точно так же, как и другие соседние звёзды. Они подсчитали, что вероятность такого синхронного движения составляет примерно один к 10 миллионам.
«Это почти наверняка не совпадение и не случайность, — говорит Бёрдж. — Мы видим две звезды, которые следуют друг за другом, потому что они связаны этой слабой гравитационной нитью. Так что это, должно быть, тройная система».
Загадочность космоса
Как же тогда могла сформироваться эта система? Если бы чёрная дыра возникла в результате типичного взрыва сверхновой, то мощный взрыв давно бы отбросил внешнюю звезду.
«Представьте, что вы тянете за верёвку воздушного змея, но вместо прочной верёвки у вас паутина, — говорит Бёрдж. — Если вы потянете слишком сильно, паутина порвётся, и вы потеряете змея. Гравитация похожа на эту едва натянутую верёвку, которая очень слабая, и если вы сделаете что-то серьёзное с внутренней двойной звездой, то потеряете внешнюю звезду».
Однако, чтобы по-настоящему проверить эту идею, Бёрдж провёл моделирование, чтобы выяснить, как могла сформироваться такая тройная система и сохранить внешнюю звезду.
В начале каждого моделирования он вводил три звезды (третьей была чёрная дыра до того, как она стала чёрной дырой). Затем он провёл десятки тысяч симуляций, каждая из которых отличалась от предыдущей сценарием того, как третья звезда могла стать чёрной дырой и впоследствии повлиять на движение двух других звёзд.
Например, он смоделировал сверхновую, изменяя количество и направление выделяемой ею энергии. Он также смоделировал сценарии прямого коллапса, при которых третья звезда просто схлопывается, образуя чёрную дыру, не выделяя никакой энергии.
«Подавляющее большинство симуляций показывают, что самый простой способ заставить эту тройку работать — это прямой коллапс», — говорит Бёрдж.
Помимо того, что внешняя звезда дала ключ к разгадке происхождения чёрной дыры, она также позволила определить возраст системы. Физики заметили, что внешняя звезда находится в процессе превращения в красного гиганта — фазу, которая наступает в конце жизни звезды.
Основываясь на этом звёздном переходе, команда исследователей определила, что внешней звезде около 4 миллиардов лет. Учитывая, что соседние звёзды родились примерно в то же время, команда пришла к выводу, что тройной чёрной дыре также 4 миллиарда лет.
«Мы никогда раньше не могли сделать это для старой чёрной дыры, — говорит Бёрдж. — Теперь мы знаем, что V404 Лебедя является частью тройной системы, она могла образоваться в результате прямого коллапса и сформировалась около 4 миллиардов лет назад благодаря этому открытию».
Источник: Nature, Массачусетский технологический институт
На изображении:
Художественное изображение двойной рентгеновской звезды V404 Лебедя.
Автор изображения: Хорхе Луго
Дополнительные материалы
