Астрономы, возможно, пока видят лишь небольшую часть чёрных дыр звёздной массы, существующих в Млечном Пути. Новое моделирование истории нашей Галактики показывает, что около 91% таких объектов сегодня могут находиться в одиночестве, не имея звезды-компаньона. Именно поэтому обнаружить их значительно сложнее: у одиночной чёрной дыры практически нет заметного окружения, по которому можно было бы определить её присутствие.
Полученный результат важен не как непосредственное открытие новых чёрных дыр, а как прогноз существования огромной популяции объектов, которые пока практически не представлены в наблюдениях. Если расчёты подтвердятся будущими исследованиями, нынешний каталог чёрных дыр окажется сильно смещён в сторону наиболее легко обнаруживаемых систем.
Почему астрономы почти всегда находят чёрные дыры в двойных системах
Чёрная дыра сама по себе не излучает свет. Поэтому обычными телескопами увидеть её непосредственно невозможно.
Именно это принципиально отличает чёрные дыры от звёзд. Даже если чёрная дыра находится относительно близко по космическим меркам, она может оставаться полностью невидимой, если рядом с ней нет вещества, способного выдать её присутствие.
Большинство известных чёрных дыр звёздной массы было обнаружено благодаря взаимодействию с другими объектами.
Особенно удобны для наблюдений двойные системы. Если чёрная дыра вращается вокруг обычной звезды, её мощное гравитационное поле влияет на движение этой звезды. Астрономы могут заметить, что видимая звезда движется так, будто рядом с ней находится невидимый массивный объект.
В некоторых системах вещество звезды постепенно перетекает к чёрной дыре. Попадая в горячий аккреционный диск, оно нагревается и начинает излучать, иногда очень интенсивно. Тогда невидимая чёрная дыра становится заметной благодаря своему окружению.
Именно такие объекты проще всего обнаруживать.
Но одиночная чёрная дыра может практически не выдавать себя
Если рядом с чёрной дырой нет звезды-компаньона и вокруг неё нет большого количества вещества, ситуация меняется.
Она не излучает собственного света, не поглощает заметное количество вещества и не создаёт яркого аккреционного диска.
Остаётся только её гравитационное воздействие.
Это означает, что одиночная чёрная дыра может находиться в пространстве между звёздами и практически ничем себя не выдавать.
Астрономы не могут просто направить телескоп на участок неба и увидеть такую чёрную дыру.
Именно поэтому предположение о многочисленной популяции одиночных объектов долгое время было трудно проверить непосредственно.
Новая работа использовала компьютерную модель Млечного Пути
Исследователи во главе с Томом Уэггом из Flatiron Institute попытались решить эту проблему другим способом.
Вместо поиска конкретных одиночных чёрных дыр они смоделировали историю нашей Галактики на протяжении миллиардов лет.
Модель учитывала жизненный цикл звёзд — от их рождения до смерти. Особое внимание уделялось массивным звёздам, которые в конце своей эволюции могут оставлять после себя чёрные дыры звёздной массы.
После этого исследователи проследили, что происходило с такими объектами на протяжении истории Млечного Пути.
Важную роль играют взрывы сверхновых
Чёрные дыры звёздной массы связаны с эволюцией массивных звёзд.
Когда такая звезда заканчивает свою жизнь, происходят процессы, связанные с её разрушением и образованием компактного остатка. В зависимости от свойств исходной звезды результатом может стать нейтронная звезда или чёрная дыра.
При этом рождение компактного объекта не обязательно происходит идеально симметрично.
Исследователи учитывали так называемые «пинки» — импульсы, которые чёрная дыра может получить в момент своего рождения.
Такой импульс способен существенно изменить её скорость и направление движения.
Некоторые чёрные дыры могут буквально вылетать из родной области Галактики
Полученный при рождении импульс способен разогнать чёрную дыру до очень высокой скорости.
В результате она начинает двигаться по Галактике иначе, чем большинство звёзд, и может постепенно удалиться далеко от места своего рождения.
Согласно моделированию, около 3% чёрных дыр звёздной массы могли получить настолько сильные импульсы, что в итоге покинули Млечный Путь.
Это означает, что галактика постепенно теряет часть чёрных дыр, которые когда-то в ней образовались.
Однако подавляющее большинство остаётся гравитационно связанным с Галактикой.
Главный результат: около 91% чёрных дыр могут быть одиночными
Самый заметный вывод моделирования заключается в оценке современной популяции.
Исследователи получили, что примерно 91% чёрных дыр звёздной массы в Млечном Пути могут сейчас находиться без звезды-компаньона.
Иными словами, двойные системы, которые сегодня являются основным источником наблюдаемых чёрных дыр, могут представлять лишь небольшую часть всей популяции.
Это существенно меняет представление о том, насколько репрезентативны известные астрономам чёрные дыры.
Почему это не означает, что уже нашли миллионы новых чёрных дыр
Здесь важно различать моделирование и непосредственное наблюдение.
Исследователи не обнаружили 91% чёрных дыр непосредственно.
Полученная доля является результатом компьютерного моделирования, основанного на предположениях о рождении, эволюции и движении звёзд и чёрных дыр.
Поэтому речь идёт о проверяемом прогнозе, а не о каталоге новых объектов.
Будущие наблюдения должны показать, насколько хорошо эта модель описывает реальную популяцию Млечного Пути.
Почему нынешние каталоги могут быть сильно неполными
Если одиночных чёрных дыр действительно подавляющее большинство, возникает важная проблема наблюдательной астрономии.
Изучать проще всего именно те чёрные дыры, которые имеют яркое окружение.
Поэтому в существующих каталогах естественным образом оказываются преимущественно двойные системы.
Получается своеобразный эффект отбора: астрономы видят не случайную выборку всех чёрных дыр, а прежде всего те, которые способны проявить себя через взаимодействие с другими объектами.
Такая выборка может создавать неправильное впечатление о том, как в действительности распределены чёрные дыры в Галактике.
Одиночные чёрные дыры можно искать по гравитации
Хотя сама чёрная дыра невидима, её гравитация способна воздействовать на проходящий рядом свет.
Если массивный компактный объект проходит перед далёкой звездой относительно наблюдателя, его гравитационное поле немного изменяет путь света.
Для наблюдателя это может проявиться как кратковременное изменение видимой яркости или положения фоновой звезды.
Такое явление называется гравитационным микролинзированием.
Именно этот метод считается одним из наиболее перспективных способов обнаружения одиночных чёрных дыр.
Следующее поколение наблюдений может изменить ситуацию
Астрономы ожидают, что будущие обзоры неба позволят находить гораздо больше объектов, которые сейчас остаются скрытыми.
Особенно важную роль может сыграть космический телескоп Nancy Grace Roman.
Он предназначен для широкомасштабных наблюдений, в том числе для поиска событий микролинзирования.
Дополнительную информацию должна предоставить миссия Gaia Европейского космического агентства. Следующий крупный выпуск данных Gaia расширит сведения о движении огромного количества звёзд в Млечном Пути.
В сочетании с наземными спектроскопическими обзорами эти данные могут помочь обнаруживать чёрные дыры по их косвенным гравитационным эффектам.
Почему карта движения чёрных дыр особенно важна
Моделирование даёт не только оценку общего количества одиночных объектов.
Исследователи попытались определить, где такие чёрные дыры могут находиться и с какими скоростями двигаться.
Это позволяет сформировать своего рода прогнозируемую карту скрытой популяции.
Если будущие наблюдения обнаружат одиночные чёрные дыры в тех областях и с теми характеристиками движения, которые предсказывает модель, это станет важной проверкой расчётов.
Если же реальные данные будут существенно отличаться, астрономам придётся пересматривать представления о рождении и движении чёрных дыр.
Чёрные дыры помогают изучать смерть массивных звёзд
Количество одиночных чёрных дыр имеет значение не только для составления каталога невидимых объектов.
Оно связано с фундаментальным вопросом: как именно массивные звёзды заканчивают свою жизнь.
Чтобы получить оценку современной популяции чёрных дыр, необходимо понимать:
- сколько массивных звёзд образуется;
- как долго они живут;
- какие из них превращаются в чёрные дыры;
- какие импульсы получают компактные остатки;
- как объекты движутся после рождения.
Поэтому наблюдение даже небольшой части одиночных чёрных дыр может помочь проверить модели звёздной эволюции.
Движение чёрных дыр рассказывает об их прошлом
Чёрная дыра, обнаруженная сегодня, не обязательно находится там, где появилась.
За миллионы и миллиарды лет она может переместиться на огромные расстояния.
Особенно сильно на её положение влияет скорость, полученная при рождении.
Поэтому изучение кинематики — движения чёрных дыр по Галактике — позволяет связать современные объекты с процессами, происходившими в далёком прошлом.
Это особенно важно для объектов, которые уже не имеют звезды-компаньона.
Скрытая популяция может оказаться гораздо более репрезентативной
Известные двойные чёрные дыры остаются чрезвычайно важными для науки. Благодаря им астрономы могут изучать массу, взаимодействие и эволюцию этих объектов.
Однако если моделирование правильно описывает реальную ситуацию, двойные системы — лишь небольшая часть общей популяции.
Большинство чёрных дыр может проводить свою жизнь в практически полном одиночестве.
Получается парадоксальная ситуация: самые многочисленные представители класса объектов оказываются одновременно самыми трудными для обнаружения.
Будущие наблюдения должны проверить прогноз
Сейчас наиболее важный вопрос заключается не в том, можно ли считать 91% окончательным числом.
Нельзя.
Это результат конкретной модели, а не установленный наблюдением факт.
Главная ценность работы заключается в том, что она предлагает проверяемое предсказание: в Млечном Пути должно существовать огромное количество одиночных чёрных дыр, а обнаруживать их следует по более тонким проявлениям гравитации.
Если новые обзоры действительно начнут находить значительное число таких объектов, представление о популяции чёрных дыр станет гораздо полнее.
Млечный Путь может быть наполнен невидимыми объектами
Нашу Галактику принято представлять как огромную систему из сотен миллиардов звёзд, газа, пыли и тёмной материи. Но компьютерное моделирование показывает, что в ней может существовать ещё одна крупная популяция, практически не проявляющая себя в обычных наблюдениях.
Речь идёт об одиночных чёрных дырах звёздной массы.
Они не светятся, не обязательно окружены горячим веществом и могут находиться на больших расстояниях от других звёзд. Их присутствие можно обнаружить только по воздействию гравитации, а иногда — по кратковременным изменениям света далёких объектов.
Если прогноз подтвердится, известные астрономам чёрные дыры окажутся лишь небольшой и необычной частью гораздо более многочисленной популяции. Тогда будущие наблюдения позволят перейти от изучения нескольких ярких двойных систем к исследованию всей популяции чёрных дыр Млечного Пути — включая большинство объектов, которые до сих пор оставались практически невидимыми.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
Моделирование таких объектов помогает понять, сколько их может быть в Млечном Пути и какую роль они играют в эволюции нашей Галактики.