Ближе, чем думали: ближайшая чёрная дыра находится на расстоянии 1000 световых лет

Астрономы Южной Европейской обсерватории (ESO) в Чили обнаружили чёрную дыру на расстоянии 1000 световых лет от Солнца — пока что это ближайший из обнаруженных объектов такого типа. Чёрная дыра является компонентом тройной звёздной системы, и две звезды этой системы в южном небе можно увидеть невооружённым глазом.

Звёздная система HR 6819 находится в созвездии Телескопа в южном небе на расстоянии около 1000 световых лет, и её можно наблюдать без оптических инструментов, хотя и почти на пределе возможностей глаза. HR перед номером объекта — обозначение каталога. В данном случае это «Каталог ярких звёзд», или «Йельский каталог», содержащий звёзды и некоторые другие объекты (галактики и шаровые скопления) с видимой звёздной величиной 6,5^m или ярче. Звёзды с таким блеском видны на небе невооружённым глазом. Сокращение HR отсылает к «Гарвардскому пересмотренному фотометрическому каталогу», или Harvard Revised Photometry Catalogue 1908 года, составившему основу «Йельского каталога». Другое обозначение — QV Tel (QV Телескопа), где QV — один из префиксов для звёзд переменной яркости. Исследование группы, изучающей эту систему на телескопе в обсерватории ESO Ля Силья в высокогорной пустыне Атакама, опубликовано 6 мая 2020 года в журнале Astronomy and Astrophysics (см. также пресс-релиз ESO).

Различаются сверхмассивные чёрные дыры в центре галактик, имеющие массу от нескольких миллионов до миллиардов масс Солнца, и «обычные» чёрные дыры с массами, сопоставимыми с массой звёзд. По-видимому, сверхмассивные дыры имеются в центре большинства галактик, включая Млечный Путь, а в некоторых случаях их может быть две, или даже три (как описано в этой заметке). А «чёрные дыры звёздных масс» (stellar mass black hole) являются конечной стадией эволюции определённого типа звёзд-гигантов. Объектов этого типа гораздо больше. Так, в нашей Галактике согласно оценкам их может быть от 100 миллионов до миллиарда — числа, сопоставимые с количеством сверхмассивных звёзд в галактике.

Поскольку такие дыры получаются из обычных звёзд, ничто не мешает им располагаться достаточно близко к Солнечной системе. Другое дело — как их найти. Фактически единственный способ — исследование взаимодействия с окружающим веществом. Легче всего такие чёрные дыры обнаружить, если они являются компонентом в кратных звёздных системах — например, двойные звёзды, вращающиеся вокруг общего центра масс, в которых второй компонент эволюционировал до чёрной дыры. В этом случае они могут проявлять себя, поглощая вещество соседней звезды или просто притягивая её, как любой объект с массой. «Одинокие дыры» звёздной массы, если такие есть, в своём большинстве нам невидимы. В кратных звёздных системах период обращения вокруг общего центра может составлять от нескольких суток до лет, но непосредственное наблюдение орбит и смещения по небу обычно лежит на пределе возможностей телескопов. Как правило, изучаются радиальные скорости движения звёзд, которые измеряют по периодическому смещению спектральных линий. Такая же методика применяется для обнаружения массивных экзопланет (подробнее про метод радиальной скорости см. заметку).

Ранее выяснилось, что «звезда» QV Tel является двойной системой, в которой две яркие звезды спектрального типа B («голубые гиганты», или горячие массивные звёзды с температурами 10 000 — 30 000 K) вращаются вокруг общего центра. Анализируя параметры орбитального движения, астрономы теперь пришли к выводу, что в системе присутствует и третий компонент заметной массы. Если бы это была ещё одна звезда, то при массе, сопоставимой с солнечной, на таком расстоянии её легко бы было обнаружить. Тройные, или даже четверные звёздные системы — не редкость. Но третий компонент здесь оказался невидимым. При этом его масса должна составлять около четырёх солнечных масс. Это также исключает вариант с массивной планетой или звездой-коричневым карликом: такие почти неразличимые квазизвёздные объекты встречаются в кратных системах, но их масса составляет только несколько процентов от солнечной. Согласно современным представлениям, до состояния чёрной дыры в конце своей эволюции должны схлопываться звёзды, в несколько раз тяжелее Солнца. Таким образом, анализ временной развёртки спектра системы и прямые наблюдения исключают все мыслимые варианты, кроме чёрной дыры с массой в несколько масс Солнца.

Тройная система HR 6819 также оказалась иерархической: чёрная дыра и одна из двух видимых звёзд системы вращаются вокруг общего центра масс, и вместе они составляют парный объект ко второй звезде, расположенной дальше. Более того, в отличие от большинства ранее обнаруживаемых поблизости таких объектов, чёрная дыра оказалась «спокойной»: она не разрывает на части соседнюю звезду, как обычно изображается на рисунках.

В ближних галактических окрестностях пока обнаружено несколько десятков «чёрных дыр звёздной массы». Некоторая их часть отличается интенсивным взаимодействием с веществом, перетягивая материал от звезды-компаньона. Это вызывает разогрев межзвёздного газа и интенсивное свечение таких объектов в рентгеновском диапазоне — появление аккреционного диска. Однако может быть так, что такой объект не поглощает соседей — например, парная звезда находится слишком далеко. В таком случае они проявляют себя только гравитационным взаимодействием с соседями, как и в этом случае. Пока что это одна из немногих «спокойных», или безаккреционных чёрных дыр, обнаруживаемых в последние годы. Кроме того, с расстоянием в 1000 световых лет она оказалась и ближайшей чёрной дырой к Солнечной системе: до этого долгое время считалось, что ближайший такой объект (двойная система в экваториальном созвездии Единорога) расположен на расстоянии 3000 световых лет. Самое интересное для астрономов-любителей, наверное, то, что это единственный случай, когда за системой с чёрной дырой можно понаблюдать практически невооружённым глазом или с любительской оптикой.