Открытие первого звёздного чёрного дыра в Омега Центавра

Астрономы на протяжении многих лет проявляют интерес к массивному звёздному скоплению Омега Центавра, поскольку предполагается, что в его составе находятся многочисленные чёрные дыры. Однако подтверждения их существования долгое время не было. Недавно группа астрофизиков, используя архивные данные космического телескопа Хаббла и дополнительные наблюдения с телескопа Джеймса Уэбба, смогла обнаружить первую звёздную чёрную дыру в этом скоплении. Результаты исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Омега Центавра представляет собой крупное скопление, состоящее из 10 миллионов звёзд, находящееся на расстоянии 18 000 световых лет от Земли. Ранее, благодаря телескопу Хаббла, была выявлена чёрная дыра промежуточной массы в центре скопления, однако модели предсказывают, что в Омега Центавра должно находиться около 10 000 звёздных чёрных дыр. Эта значительная популяция чёрных дыр не была обнаружена в ходе предыдущих наблюдений, которые использовали методы радиальных скоростей или искали рентгеновские и радиоизлучения от материи, аккрецирующей на чёрные дыры.

Исследование, проведённое Мэтью Уитакером из Университета Юты и его коллегами, применило новый подход к поиску таких объектов — астрометрию, позволяющую измерять незначительные движения звёзд со временем. Анализируя более 20 лет архивных данных телескопа Хаббла и интегрируя недавние данные с телескопа Уэбба для уточнения своих измерений, команда смогла локализовать звезду, обращающуюся вокруг невидимого объекта, обладающего такой массой, что это однозначно чёрная дыра. Эта чёрная дыра, названная oMEGACat BH-2, является первой обнаруженной звёздной чёрной дырой в Омега Центавра и имеет некоторые удивительные характеристики. Она обладает массой 4,46 солнечных масс, что меньше ожидаемого, и её система с компаньоном имеет самую долгую орбитальную периодичность, когда-либо наблюдаемую, — 94 года.

Точность измерений поражает: она достигает долей пикселя на детекторах Хаббла и Уэбба. Стоит отметить, что в предыдущем исследовании другой группы учёных предполагалась наличие нейтронной звезды в этой бинарной системе. Уточнив данные Хаббла из предыдущего исследования, проведя астрометрические измерения с 2002 по 2023 годы и добавив ближние инфракрасные данные с телескопа Уэбба для повышения точности, Уитакер и его коллеги смогли более точно определить массу тёмного компаньона видимой звезды (обычной звезды с массой 0,78 солнечных масс). В результате им удалось опровергнуть гипотезу о наличии нейтронной звезды, так как рассчитанная масса была в два раза выше, чем для нейтронной звезды.

Тем не менее, масса этой чёрной дыры значительно ниже ожидаемой для небогатой металлами среды, каковой является Омега Центавра. Обычно звезда с низким содержанием металлов очень массивна и завершает свой жизненный цикл, образуя также довольно массивную чёрную дыру. Таким образом, открытие первого представителя этой популяции чёрных дыр позволит уточнить современные теории их формирования в таких условиях, как в Омега Центавра.

Что касается определения орбитального периода, то именно благодаря точным данным телескопов Хаббла и Уэбба команда смогла проследить траекторию звезды на протяжении более 20 лет, особенно в момент её ближайшего подхода к чёрной дыре, когда она двигалась наиболее быстро на небе. На основе этих исчерпывающих данных Уитакер и его коллеги установили, что видимая звезда обращается вокруг oMEGACat BH-2 за 94 года, что делает эту бинарную систему с чёрной дырой системой с самой долгой орбитой, когда-либо наблюдаемой. Эта длительность орбиты также дает представление о происхождении этой бинарной системы, указывая на то, что она, вероятно, сформировалась динамически, то есть звезда и чёрная дыра изначально не были парой, а встретились внутри скопления и остались связанными гравитационно. Исследователи подсчитали, что система, подобная oMEGACat BH-2, должна просуществовать менее миллиарда лет, прежде чем будет разрушена в результате столкновений с соседними звёздами, что значительно короче возраста самого скопления (около 12 миллиардов лет).

Понимание популяций чёрных дыр в звёздных скоплениях имеет важное значение, поскольку их физика и формирование остаются неясными. В частности, необходимо разобраться в процессах формирования чёрных дыр и динамического формирования бинарных систем, так как это влияет на нашу способность интерпретировать и понимать гравитационные волны. Необходимо помнить, что именно такие среды, как Омега Центавра, являются основными местами, где бинарные чёрные дыры сливаются и создают гравитационные волны.

Поиск бинарных систем с использованием радиальных скоростей в звёздных скоплениях стал возможен благодаря многопериодическим измерениям с MUSE, которые были проведены в NGC 3201, ω Cen и 47 Tuc, однако они позволили обнаружить только две чёрные дыры в NGC 3201. Многие бинарные системы, найденные по радиальным скоростям в ω Cen, не имеют точных орбитальных ограничений, но, по мнению исследователей, бинарные системы с чёрными дырами с коротким периодом (< 1 год) могут быть охарактеризованы с использованием этих данных, при условии, что видимый компаньон является более яркой звездой. Анализ существующих данных о других скоплениях и более тщательное наблюдение могут также привести к открытию новых бинарных систем с чёрными дырами.

В любом случае, для более точного определения популяции чёрных дыр в звёздных скоплениях потребуется больше новых открытий. Можно утверждать, что идентификация oMEGACat BH-2 знаменует начало новой эры в астрометрическом поиске чёрных дыр в звёздных скоплениях...