Астрономы обнаружили первую систему «тройных чёрных дыр», состоящую из чёрной дыры, питающейся звездой-компаньоном, и вращающейся вокруг более далёкой звезды. Эта система, названная V404 Cygni, расположена в пределах Млечного Пути и на расстоянии около 8000 световых лет от Земли.
Это открытие может указывать на более мягкий процесс рождения чёрной дыры, называемый «прямым коллапсом», потому, что если бы происхождение этой чёрной дыры было в более катастрофичных событиях, оно бы обеспечило «пренатальный толчок», который вытолкнул бы слабо связанную с системой звезду из этой тройной системы.
Учёные полагают, что большинство чёрных дыр образуются в результате мощных взрывов звёзд, но это открытие заставляет усомниться в таком сценарии.
«Эта система очень интересна для рассмотрения сценария эволюции чёрных дыр, она также поднимает вопросы о том, есть ли ещё системы из трёх объектов. Тот факт, что эта звезда всё еще связана с системой, удивителен, поскольку это подразумевает, что она получила низкоэнергетический толчок», — сказал Кевин Бердж из Массачусетского технологического института (MIT).
Команда обнаружила, что в то время как «звезда-жертва» этой чёрной дыры совершает один оборот вокруг неё всего за 6,5 земных суток, недавно обнаруженная третья звезда в системе вращается вокруг так далеко, что совершает один оборот за 70 000 земных лет.
«Это открытие было просто счастливой случайностью, на самом деле я просто смотрел на изображение V404 Cygni и заметил, что оно находится в тройной системе. Затем мы обнаружили, что чёрная дыра в V404 Cygni, вероятно, родилась без «натального толчка»», — сказал Бердж.
Астрономам известно о сверхновых, которые сопровождают смерть массивной звезды после того, как в её ядре заканчивается ядерное топливо и она больше не может противостоять собственной гравитации. Когда общая теория относительности Эйнштейна направила учёных на путь, который привёл к открытию чёрных дыр и нейтронных звёзд, взрывы звёзд были быстро связаны с процессом рождения этих сверхплотных звёздных останков.
Сила этих событий означает, что они часто ярче, чем совокупный свет каждой звезды в галактике, которая их окружает. Это также означает, что они снабжают все вращающиеся звёзды энергетическим толчком, когда извергаются. Пренатальные толчки — это чистый импульс, который чёрная дыра получает после своего рождения. Так, например сверхновая и материя выбрасывается асимметрично, для сохранения импульса чёрная дыра выбрасывается в противоположном направлении материи. Ограничить эти пренатальные толчки очень сложно, отчасти потому, что у нас так мало известных черных дыр в Млечном Пути, а также потому, что нет хороших способов измерить их, кроме как через широкий тройной компаньон, как это видно в этой системе.
Кевин Бердж
Близкая звезда, которая тесно гравитационно связана с новой чёрной дырой, может «пережить» энергию, которую она получает от взрыва сверхновой, и остаться в системе. Однако сила гравитации быстро падает на больших расстояниях, что означает, что любые звёзды, не удерживаемые чёрной дырой, должны быть выброшены и стать «звездй-изгоем».
«Представьте, что вы тянете воздушного змея, и вместо прочной нити вы тянете паутину. Если вы потянете слишком сильно, то паутина порвется, и вы потеряете воздушного змея. Гравитация подобна этой тонкой нити, которая очень слаба, и если вы сделаете что-то радикальное с двойной звездой, вы потеряете внешнюю звезду», — объяснил Бердж.
Но прежде чем ответить на вопрос о том, почему этого не произошло в этой тройной системе, команда сначала должна была подтвердить, что отдалённая звезда действительно вращается вокруг двойной системы V404 Cygni. Они подтвердили это, используя 10 лет наблюдений космического телескопа Gaia, космического аппарата, который отслеживает движение миллиардов звёзд в Млечном Пути.
Команда обнаружила, что звёзды действительно движутся в тандеме, обнаружив, что вероятность такого движения, происходящего из-за того, что звёзды не находятся в одной системе, составляет примерно один к 10 миллионам. Они также определили, что внешняя звезда находится в 3500 раз дальше от центральной чёрной дыры, чем Земля от нашего Солнца.
Тот факт, что мы можем видеть две отдельные звезды на таком большом расстоянии, на самом деле означает, что звёзды должны быть действительно очень далеко друг от друга. Это почти наверняка не совпадение или случайность. Мы видим две звезды, которые следуют друг за другом, потому что они связаны этой слабой нитью гравитации. Так что это должна быть тройная система.
Кевин Бердж
Чтобы определить, почему внешняя звезда этой системы не была выброшена, Бердж провёл ряд симуляций, чтобы увидеть, как такая тройная система могла развиться до своего нынешнего состояния и при этом сохранить свою внешнюю звезду.
Каждая симуляция начиналась с трёх звёзд, одна из которых затем превратилась в чёрную дыру. В симуляции вводился взрыв сверхновой, который Бердж проводил десятки тысяч раз, варьируя количество высвобождаемой энергии и направление, в котором она высвобождалась. Немногие из этих симуляций привели к тройной системе с чёрной дырой.
Источник: Jorge Lugo
По большей части единственными симуляциями, которые воспроизводили наблюдения команды за этой системой, были те, которые исключили взрыв сверхновой и увидели чёрную дыру, созданную в результате прямого коллапса.
Обнаружение того, что внешняя звезда связана с V404 Cygni, также помогло команде определить возраст тройной системы. Учёным помогло то, что отдалённая звезда находится в процессе превращения в красного гиганта, что происходит, когда звёзды выходят из фазы главной последовательности и раздуваются до размеров, в 100 раз превышающих их первоначальный размер.
Команда определила, что внешней звезде около 4 миллиардов лет, и пришла к выводу, что вся система примерно того же возраста. Это первый раз, когда учёные выполнили такой процесс определения возраста системы.
«Мы никогда не могли сделать этого раньше для старой чёрной дыры. Теперь мы знаем, что V404 Cygni является частью тройной, она могла образоваться в результате прямого коллапса, и она образовалась около 4 миллиардов лет назад», — сказал Бердж.
У команды всё ещё есть вопросы о природе этой системы, которую они будут исследовать в дополнение к поиску большего количества тройных чёрных дыр.
«Один из самых больших вопросов — как выглядит орбита внешнего компаньона — круговая или эксцентричная? Мы попытаемся измерить это с помощью инструмента под названием GRAVITY на Европейском очень большом телескопе (VLT). На данный момент это единственная известная тройная система с чёрной дырой, но мы проводим постоянную кампанию по поиску большего количества таких систем», — заключил Бердж.