Обнаружена самая миниатюрная черная дыра, которой теоретически не должно быть

Москва, 19:03, 02 Ноя 2019, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Считается, что черные дыры — это труп мертвой звезды. Но не все звезды становятся черными дырами в конце своей жизни — например, наше Солнце достаточно маленькое, чтобы избежать этой участи. До недавнего времени считалось, что черные дыры образованы только сверхмассивными звездами, а самая маленькая черная дыра, известная ученым, была примерно в пять раз больше массы Солнца.

Тем не менее, недавняя научная статья объявила об открытии черной дыры, намного меньшей, чем эта. Это потребует от астрономов переосмыслить свои модели образования черных дыр, потому что черные дыры не должны быть такими маленькими.

Итак, что же определяет массу черной дыры? Это размер звезды, из которой она образовалась. Черные дыры происходят от больших звезд. Большие звезды живут быстро и умирают молодыми. Большая масса сгорает в их топливе очень быстро, сначала превращая водород в гелий, а затем, когда водород заканчивается, нагревается и сгорает гелий. Во время фазы горения гелия ядро ​​звезды раздувается, и она становится красным гигантом с радиусом, достаточно большим, чтобы охватить орбиту Земли.

Звездное ядро

В конце концов, гелий тоже иссякает, и даже более тяжелые элементы используются для ядерного синтеза звезды, с кислородом, а затем с кремнием, пока наконец звезда не преобразует свой материал в железо. И когда появляется железо, у звезды кончается топливо, и она коллапсирует сама по себе, нагреваясь при этом, вызывая сверхновую. Внешние слои звезды взрываются в космос, оставляя ядро.

Если масса родительской звезды более чем в двадцать раз превышает массу Солнца, она оставит ядро ​​из пяти солнечных масс. Если ядро ​​такое большое или большее, гравитация настолько сильна, что материя не может противостоять этой силе, и она разрушается и образует черную дыру.

Для звезд с начальной массой от четырех до восьми масс Солнца процесс аналогичен, но оставшееся ядро ​​намного меньше — возможно, в два раза больше, чем Солнце. В этих условиях сила тяжести от ядра, меньше и недостаточно сильна, чтобы образовать черную дыру. Остается то, что называется нейтронной звездой, когда вещество ядра упаковано настолько плотно, что протоны и электроны объединяются в нейтроны, и у нейтронов нет пространства между ними и соседними нейтронами.

Для более мелких звезд, таких как наше Солнце, этот процесс гораздо менее драматичен, и в результате получается белый карлик, который, по сути, является маленькой и выгоревшей звездой, тлеющим углем, который будет светиться почти вечно в человеческом понимании.

Разрыв массы

Разрыв между самыми тяжелыми нейтронными звездами и самыми маленькими черными дырами интересен астрономам. До этого открытия масса самых тяжелых из известных нейтронных звезд была примерно вдвое больше массы Солнца. А самая маленькая мерная черная дыра имеет массу примерно в пять или шесть раз больше массы Солнца. Массовая область, в 2 — 5 раз превышающая массу Солнца, называется разрывом массы.

Доктор Тодд Томпсон, профессор астрономии в Университете штата Огайо и ведущий автор недавнего исследования, решил искать сгоревшие звезды с массами в диапазоне разрыва масс. Он и другие ученые прочесали данные, полученные с помощью эксперимента по галактической эволюции в обсерватории Апач, или APOGEE, который изучает спектры около 100 000 звезд в Млечном Пути.

Физический принцип, называемый эффектом Доплера, говорит, что цвет звезды (на самом деле, любого объекта) будет немного меняться в зависимости от движения звезды. Если он движется к телескопу, он будет немного голубей, а если он удаляется от телескопа, он будет немного краснее.

Если две звезды находятся рядом друг с другом, они будут вращаться вокруг центральной точки. И на своей орбите они, альтернативно, будут двигаться к Земле и от нее, что приведет к небольшим изменениям цвета. Если одна из двух звезд является черной дырой, то, что увидят астрономы, это одна звезда с ритмически изменяющимся цветом.

После изучения их данных, команда обнаружила гигантскую красную звезду, которая была заблокирована на орбите с невидимым спутником. Масса красного гиганта была в 2,2-2,2 раза больше массы Солнца, а масса невидимого спутника — в 2,6-6,1 раза больше массы Солнца, с наиболее вероятной массой 3,3 массы Солнца.

Наиболее вероятная масса для этого невидимого объекта находится прямо в середине разрыва масс, хотя неопределенности в измерении почти охватывают диапазон от самой тяжелой нейтронной звезды и самой легкой черной дыры.

Астрономы, естественно, очень заинтересованы в этом загадочном тяжелом объекте. Если более точные измерения приведут к массе около 3,3 солнечных масс, астрономам придется переосмыслить свои модели образования черной дыры. И если последующие измерения обнаружат, что масса невидимого объекта находится на краях диапазона, указанного в этом измерении, это все равно будет примером очень тяжелой нейтронной звезды или очень легкой черной дыры, однако это, скорее всего, будет маленькая черная дыра. Независимо от результатов последующих измерений, это открытие будет интересно астрономам.

Хотя ученые уже довольно много знают о Вселенной, жизни и смерти звезд, всегда найдутся сюрпризы. Вот, в конце концов, почему они проводят исследования. Дополнительные исследования, подобные этому, научат нас больше понимать жизненный цикл массивных звезд.