Астрономы впервые нашли тройную систему с черной дырой, возникшей без сверхновой

Когда массивная звезда взрывается сверхновой и в ее центре происходит гравитационный коллапс в нейтронную звезду или черную дыру, объект выбрасывает огромное количество энергии и материи. Если бы весь этот процесс был идеально симметричным, остаток звезды просто «схлопывался» бы. На практике же выброс обычно дает объекту мощный начальный «толчок» (natal kick). С одной стороны, он «помогает» образованию компактного объекта. С другой — из-за «толчка» объект может даже вылететь из системы. Как минимум перестраиваются орбиты его компаньонов.

Теоретические расчеты показали, что черные дыры звездной массы могут образовываться без сверхновой и без мощного «толчка». В стремлении рассчитать минимальный «толчок», необходимый для образования черной дыры, астрономы изучают системы с черными дырами.

Особенно интересны системы, в которых компактный объект поглощает соседа, — это рентгеновские двойные. Изучая их, исследователи пришли к выводу, что совсем уж сильный «толчок», более 100 километров в секунду, возникает редко. Наконец, они нашли систему, где черная дыра образовалась будто бы чистым гравитационным коллапсом.

V404 Лебедя — система, расположенная примерно в восьми тысячах световых лет от Земли. В ней находится одна из первых подтвержденных в истории черных дыр, которую описали еще в 1992 году. Как следствие, она считается одной из самых изученных. Тем удивительнее новое открытие.

Авторы исследования искали новые черные дыры, когда им попался снимок V404 Лебедя. Они обратили внимание, что близко к системе V404 Лебедя расположена еще одна яркая точка. Проверив скорость и направление движения этой звезды по каталогу обзора Gaia, ученые пришли к выводу, что она входит в систему V404 Лебедя. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Оказалось, V404 Лебедя — тройная система, в центре которой находится плотная пара из черной дыры и поглощаемой звезды, а в 3,5 тысячи астрономических единиц от них летает еще одна звезда. Центральная пара летает на расстоянии 0,14 астрономической единицы (среднее расстояние от Солнца до Земли) друг от друга, то есть в два раза ближе, чем Меркурий к Солнцу. Третий компаньон расположен в 25 тысяч раз дальше, чем расстояние между парой, или в 90 раз дальше, чем Плутон от Солнца.

Чтобы собрать полный портрет системы, особенно «внешней» звезды, группа ученых совместила данные наблюдений VLT, обзора Gaia, системы телескопов Pan-Starrs, обсерватории «Джемини», обсерватории Кека и космического телескопа «Хаббл». Так астрономы выяснили, что возраст третьего компаньона и, как следствие, всей системы — от трех до пяти миллиардов лет. «Внешняя» звезда в 1,2 раза массивнее и в 1,85 раза больше по радиусу Солнца. Главное, ее существование накладывает ограничения на историю активности черной дыры.

«Представьте, что вы тянете воздушного змея, но вместо прочной веревки у вас паутинка. Если потянуть слишком сильно, паутинка порвется, и вы потеряете змея. Гравитация похожа на эту очень слабую нить. Если сделать что-либо резкое с внутренней двойной, вы потеряете внешнюю звезду», — объяснил один из авторов нового исследования Кевин Бердж из Массачусетского технологического университета (США).

С помощью компьютерного моделирования ученые показали, что система всегда «выживает», когда черная дыра формируется коллапсом без сверхновой и без «толчка». Это противоречит современным моделям, в которых такое возможно лишь в случае крайне массивных объектов, а в этой системе черная дыра массой около девяти солнечных масс, то есть ниже теоретического порога.

Если бы V404 Лебедя была в 1,5 раза дальше, Gaia не смогла бы различить движение третьего компаньона. Если бы он был на 10 процентов массивнее или на 20 процентов менее массивным, то был бы слишком тусклым для инструментов Gaia .

Возможно, таких систем много, и третьи компаньоны есть у многих черных дыр звездой массы, просто наши инструменты их не видят. Более того, как отметили авторы новой работы, у большинства рентгеновских двойных с черной дырой в составе могут быть такие соседи. Нужно лишь внимательнее присмотреться к этим объектам.