В центре шарового скопления NGC 6397 астрономы обнаружили то, чего не ожидали: вместо одной массивной черной дыры там скрывается концентрация меньших черных дыр.
Шаровые скопления – это чрезвычайно плотные звездные системы, в которых расположены звезды, плотно упакованные вместе. Эти системы также, как правило, очень старые – шаровое скопление NGC 6397, находящееся в центре внимания данного исследования, имеет почти такой же возраст, какой и сама Вселенная. Это скопление находится на расстоянии 7800 световых лет, что делает его одним из самых близких к Земле шаровых скоплений. Из-за очень плотного ядра оно известно как кластер со сжатым ядром.
Масса, которую может упаковать черная дыра, широко варьируется от менее чем в два раза массы нашего Солнца до более чем в миллиард масс нашего Солнца. На полпути между ними находятся черные дыры средней массы, весящие примерно от сотен до десятков тысяч солнечных масс. Итак, черные дыры бывают малыми, средними и большими.
Источники: НАСА, ЕКА, Т. Браун, С. Казертано и Дж. Андерсон (STScI).
Сначала астрономы думали, что в шаровом скоплении находится черная дыра средней массы. Это долгожданное «недостающее звено» между сверхмассивными черными дырами (во много миллионов раз больше массы нашего Солнца), лежащими в ядрах галактик, и черными дырами звездной массы (в несколько раз больше массы нашего Солнца), которые образуются после коллапса одиночной массивной звезды. Само их существование горячо обсуждается. На сегодняшний день определены лишь несколько кандидатов .
«Мы нашли очень убедительные доказательства наличия невидимой массы в плотном ядре шарового скопления, но мы были удивлены, обнаружив, что эта дополнительная масса не является «точечной» (чего можно было бы ожидать от уединенной массивной черной дыры), а протяженной до нескольких процентов от размера скопления», – сказал Эдуардо Витраль из Парижского института астрофизики (IAP) в Париже, Франция.
Чтобы обнаружить неуловимую скрытую массу, Витрал и Гэри Мамон, также из IAP, использовали скорости звезд в скоплении, чтобы определить распределение его общей массы, то есть массы видимых звезд, а также слабых звезд и черных дыр. Чем больше масса в каком-то месте, тем быстрее вокруг него движутся звезды.
Исследователи использовали предыдущие оценки крошечных собственных движений звезд (их видимые движения на небе), которые позволяют определить их истинные скорости внутри скопления. Эти точные измерения звезд в ядре скопления могли быть сделаны только с Хабблом за несколько лет наблюдений. Данные Хаббла были добавлены к хорошо откалиброванным измерениям собственного движения, предоставленным космической обсерваторией Гая Европейского космического агентства, которые менее точны, чем наблюдения Хаббла в ядре.
«Наш анализ показал, что орбиты звезд в шаровом скоплении близки к случайным, а не систематически круглые или очень вытянутые», – пояснил Мамон. Эти орбитальные формы с умеренным удлинением ограничивают то, какой должна быть внутренняя масса.
Исследователи приходят к выводу, что невидимый компонент может состоять только из остатков массивных звезд (белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр), учитывая его массу, протяженность и местоположение. Эти звездные трупы постепенно опускались к центру скопления после гравитационного взаимодействия с близлежащими менее массивными звездами. Эта игра в звездный пинбол называется «динамическое трение», где в результате обмена импульсом более тяжелые звезды отделяются в ядре скопления, а звезды с меньшей массой мигрируют к периферии скопления.
«Мы использовали теорию звездной эволюции, чтобы сделать вывод, что большая часть дополнительной массы, которую мы обнаружили, была в форме черных дыр», – сказал Мамон. Два других недавних исследования также предположили, что звездные остатки, в частности черные дыры звездной массы, могут заселять внутренние области шаровых скоплений. «Наше исследование является первым, в котором представлены как масса, так и размер того, что кажется скоплением в основном черных дыр в центре шарового скопления со сжатым ядром», – добавил Витрал.
Астрономы также отмечают, что это открытие повышает вероятность того, что слияние этих плотно упакованных черных дыр в шаровые скопления может быть важным источником гравитационных волн, колеблющихся в пространстве-времени. Такие явления могут быть обнаружены с помощью эксперимента лазерной интерферометрической обсерватории гравитационных волн, который финансируется Национальным научным фондом и управляется Калифорнийским технологическим институтом в Пасадене, Калифорния, и Массачусетским технологическим институтом в Кембридже, Массачусетс.
