Недалеко от Земли нашли «звездную» черную дыру — рекордную по массе в нашей Галактике

В рамках обзора «Гайя» астрономы собирают самую подробную карту звезд Млечного Пути. К 2024 году вышло три релиза данных, следующий — Gaia DR4 — выйдет не раньше конца 2025-го. В числе прочего ожидается, что в новом релизе будет гораздо больше выявленных двойных систем, среди которых ученые смогут отыскать те, где один из компонентов — черная дыра. Как раз во время предварительной проверки данных по таким системам исследователи обнаружили необычную пару. В свете важности открытия они приняли решение опубликовать результаты расчетов уже сейчас.

Примечательным объектом оказалась двойная система, которую теперь будут обозначать Gaia BH3, хотя как звезду ее знали и раньше. Она находится примерно в 1,92 тысячи световых лет от нас (590 парсек), в области созвездия Орел. Судя по параметрам, яркий компонент системы — бедный на металлы гигант. Он вращается вокруг темного объекта с периодом 11,6 земного года.

Астрономы обратили на него внимание, так как оценочная масса этого компаньона оказалась выше 30 солнечных масс, притом что в остальных 1,5 миллиона потенциальных двойных это значение не превышало 20 солнечных масс. По результатам точных расчетов получилось, что масса звезды — 0,76 ± 0,05 солнечной массы, а масса темного объекта — 32,7 ± 0,82 солнечной массы. Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics.

У этого объекта слишком низкая яркость, чтобы счесть его звездой, а масса слишком велика для нейтронной звезды. Остаются лишь три варианта: черная дыра, пара черных дыр или черная дыра в паре с компактным объектом. Теоретически наличие пары объектов можно было бы выявить по колебаниям. Но по расчетам эти колебания получаются слишком малы, чтобы их было видно в данных «Гайи». Так что авторы исследования хоть и не могут опровергнуть предположение о паре компактных объектов, все же пока придерживаются самого простого объяснения: это «звездная» черная дыра массой в 33 раза больше Солнца.

Раньше астрономы «видели» подобные черные дыры лишь по гравитационным волнам от их столкновения. Их диапазон — от 30 до 83 солнечных масс. Главная проблема в том, что такой размер довольно сложно объяснить звездным происхождением. Звезды в 30 раз массивнее Солнца теряют большую часть этой массы во время своей эволюции из-за сильного звездного ветра. В итоге из них получаются черные дыры массой меньше 20 солнечных масс.

До открытия BH3 крупнейшей черной дырой в Млечном Пути была Cygnus X-1 массой примерно 20 солнечных. Правда, это не значит, что в Галактике нет массивных «звездных» черных дыр. Их просто очень сложно засечь, ведь большинство никак не взаимодействует с компаньоном.

Тем не менее есть одно «решение», позволяющее получить из массивной звезды массивную черную дыру. Для этого массивная звезда должна быть гигантом с низкой металличностью.

Во-первых, это снижает процент потерянной массы в процессе эволюции. Во-вторых, из-за меньшего радиуса ниже вероятность слияния с компаньоном. В-третьих, при коллапсе в черную дыру у таких звезд гораздо слабее или даже вообще отсутствует «толчок», который может выбить второго компаньона. При этом потенциально допустимая металличность звезды остается объектом споров. По некоторым моделям, даже массивные звезды с металличностью Солнца могут превращаться в черные дыры в 30 солнечных масс.

Низкая металличность звезды в паре BH3 повышает вероятность того, что и черная дыра образовалась из звезды с такой же низкой металличностью. Впрочем, авторы нового исследования отметили, что не могут исключить сценарий образования этой черной дыры из двух поменьше.

Также есть вероятность, что черная дыра «подцепила» звезду, пролетая мимо, если она образовалась в насыщенной объектами среде. Эту версию можно подкрепить тем, что, судя по параметрам движения, BH3 может входить в открытый недавно звездный ED-2 — вероятный остаток шарового скопления.

Теперь мировое сообщество астрономов уже сейчас сможет начать наблюдения за BH3. Благо по галактическим меркам она находится недалеко от Солнечной системы, что упрощает наблюдения. Изучение BH3 и сопоставление ее параметров с параметрами BH1, BH2 и черных дыр, обнаруженных по гравитационным волнам, помогут разобраться в формировании и эволюции таких объектов.