Найдена рекордно крупная черная дыра звездных масс

Астрономы обнаружили широкую двойную систему из яркой звезды и невидимого массивного объекта. По современным представлениям компаньоном в таком случае может быть только черная дыра, которая должна быть тяжелее Солнца примерно в 68 раз. Это делает ее наиболее крупной из известных представителей группы таких объектов, масса которых сравнима со звездными, пишут авторы в журнале Nature.

Продолжение: Открытие рекордной черной дыры назвали ошибочным

Черные дыры — это объекты с такой большой гравитацией, что никакое тело не может удалиться из их непосредственной окрестности на бесконечность, даже свет. С точки зрения наблюдения выделяют три основных типа таких объектов: черные дыры звездных масс, промежуточных масс и сверхмассивные.

Эта классификация отражает как разные механизмы формирования, так и разные проявления. В частности, все известные до недавнего времени черные дыр звездных масс (помимо зарегистрированных посредством гравитационных волн) были обнаружены в рентгеновских двойных. В таких системах вещество обычной звезды перетекает на компактный объект, при этом разогреваясь до миллионов градусов и испуская высокоэнергетическое излучение.

На данный момент все известные в Млечном Пути черные дыры звездных масс не более чем в 20 раз тяжелее Солнца. Это хорошо согласуется с теорией звездной эволюции, которая описывает рождение таких объектов в результате взрывов сверхновых. Вместе с тем модели предсказывают, что экстремально тяжелые звезды должны заканчивать жизни в виде парно-нестабильных сверхновых, после взрывов которых не остается компактного объекта.

Астрономы под руководством Лю Цзифэна (Liu Jifeng) применили новый способ поиска черных дыр и обнаружили в нашей Галактике объект с массой порядка 68 солнечных. Авторы использовали метод лучевых скоростей, которым обычно ищут экзопланеты. Для обнаружения тела с его помощью необходимо фиксировать периодические смещения линий в спектре звезды, по которым можно вычислить орбитальные и физические параметры невидимого компаньона.

Поиск проходил в рамках длительной программы наблюдений спектроскопических двойных на китайском телескопе LAMOST. Всего изучалось около 3000 источников в направлении на антицентр Млечного Пути. У одной из звезд в этом поле, LB-1, обнаружились периодические вариации лучевой скорости, которые затем были независимо подтверждены наблюдениями на других телескопах.

Точные спектроскопические данные позволили определить параметры звезды с высокой точностью. Температура ее поверхности составляет около 18100 кельвин, логарифм силы тяжести — 3,43, масса — 8,2 солнечных, а расстояние — 4,23 килопарсека. В ее излучении нашли закономерные смещения линий с периодом в 78,3 дня, которые соответствуют амплитуде лучевой скорости в 52,8 километров в секунду.

Этих данных недостаточно для определения массы компаньона, так как неизвестен угол наклона плоскости орбиты системы относительно луча зрения. Однако даже в случае прямого угла получается масса в 6 солнечных, что уже однозначно классифицирует объект как черную дыру. Однако ученые показывают, что наблюдаемое от источника свечение в линии H_α не может быть связано с видимой звездой, диском вокруг нее или фоновым объектом, так как ее доплеровская ширина составляет 300 километров в секунду. Следовательно, это излучение связано с диском вокруг черной дыры, что позволяет независимо определить ее массу, которая соответствует 68 солнечным с ошибками около 12. Это также позволяет определить угол наклонения, который в данном случае оказывается равен 15–18 градусам.

Обнаруженный объект исключителен сразу по нескольким параметрам. Во-первых, эта самая крупная непосредственно обнаруженная черная дыра звездных масс. Во-вторых, она входит в самую широкую известную двойную с черной дырой в составе, из-за чего не видна как рентгеновский источник. В-третьих, ее масса примерно в два раза превышает предельную начальную массу для формирующихся в результате взрывов сверхновых черных дыр.

Ограничение на максимальную массу черной дыры сильно зависит от металличности исходной звезды, то есть от концентрации в ней элементов тяжелее гелия. Однако LB-1 по этому показателю соответствует Солнцу, из чего можно ожидать примерно такой же металличности и у звезды-предшественника обнаруженной черной дыры. В таком случае на момент образования она не должна была быть тяжелее 25 масс Солнца.

Авторы предлагают несколько возможных сценариев формирования такого объекта. Эта черная дыра могла возникнуть после попадания дыры с разрешенной массой в крупную звезду примерно в 60 раз тяжелее Солнца. В таком случае значительная доля вещества может оказаться под горизонтом событий. Также такой объект мог образоваться после слияния пары черных дыр, появившихся после взрывов сверхновых. В таком случае изученная система должна была изначально быть тройной с парой очень массивных звезд на близкой орбите. Авторы не исключают, что этот объект теоретически может до сих пор быть очень тесной системой из двух черных дыр с массами около 35 солнечных.

Совсем недавно астрономы сообщали о другом рекорде — обнаружении исключительно маленькой черной дыры. Также ученые разрешили планетам формироваться вокруг сверхмассивных черных дыр. О полученном ранее в этом году первом изображении тени черной дыры мы подробно писали в материале «Заглянуть за горизонт».