В центре шаровых скоплений звёзд, вращающихся вокруг нашей Галактики, могут находиться чёрные дыры промежуточной массы, то есть с массой порядка нескольких сот солнечных. По данным космических телескопов Hubble и Gaia астрономы определили, что внутри одного из ближайших шаровых скоплений, NGC 6397, присутствует центральный тёмный компонент, составляющий до 2% его массы. Однако данные по собственному движению звёзд в скоплении указывают не на один компактный объект, а на распределённую структуру, состоящую из множества нейтронных звёзд, белых карликов и небольших чёрных дыр звёздной массы.
NGC 6397 — это шаровое звёздное скопление в созвездии Жертвенника (Ara) в южном небе на расстоянии 7800 световых лет. Это одно из ближайших скоплений такого типа, и в нём даже при помощи наземных телескопов можно различить отдельные звёзды. Астрономы из Института астрофизики в Париже (Institut d’astrophysique de Paris, IAP) и Сорбонны в феврале 2021 года опубликовали статью в Astronomy & Astrophysics по результатам исследования движения звёзд в этом скоплении. Они предполагали по косвенным признакам обнаружить в нём массивный компактный объект, представляющий собой чёрную дыру промежуточной массы.
Различимые на небе в телескоп или невооружённым глазом звёздные скопления разделяют на две большие группы по внешнему виду — шаровые (globular clusters) и рассеянные (open clusters). Это объекты разной природы и с разным расположением по отношению к Галактике. Рассеянные скопления — небольшие группы (порядка тысячи) молодых звёзд, ближайшие из которых находятся на расстояниях до сотен световых лет — например, к ним относятся Плеяды и Гиады. Возраст таких скоплений исчисляется десятками миллионов лет, что по звёздным меркам довольно мало. Шаровые скопления, напротив, состоят из большого количества (до миллиона) старых звёзд, гравитационно связанных между собой и плотно упакованных, настолько, что соседние звёзды в центре такого образования могут находиться друг от друга на расстояниях в несколько световых недель. Основное отличие в том, что рассеянные скопления — это объекты внутри диска Галактики, их звёзды родились примерно в одно время из какого-либо молекулярного облака. Шаровые скопления — это объекты-спутники галактики, вращающиеся вокруг её центра в галактическом гало. Фактически это — отдельные микро-«галактики» со своей структурой и ядром, a их возраст исчисляется миллиардами лет (по ним также оценивают возраст самой галактики). Поэтому расстояния до них сопоставимы с масштабами расстояний в Галактике, а ближайшие находятся на расстоянии порядка 10 тысяч св.лет. Примерно в пятой части шаровых скоплений произошёл коллапс ядра, и астрономы надеются, что в результате может образоваться небольшая чёрная дыра, а в ближайших скоплениях её можно локализовать по траекториям отдельных звёзд вблизи центра.
Теоретически масса чёрной дыры никак не ограничивается. Поэтому логично предположить, что существуют дыры промежуточной массы (сотни масс Солнца), которые заполняют значительный разрыв между двумя классами объектов — сверхмассивными чёрными дырами в центре галактик и «чёрными дырами звёздной массы», которые образуются при коллапсе крупных звёзд. Чёрная дыра первого типа находится и в центре нашей Галактики, а ближайшая чёрная дыра звёздной массы недавно обнаружена на расстоянии 1000 световых лет от Солнечной системы (см. об этом отдельную статью). Отметим, что Нобелевская премия по физике 2020 года была вручена за исследование чёрных дыр (в частности, за открытие этого самого «компактного сверхмассивного объекта в центре Нашей Галактики»); вероятно, это поднимет интерес астрономов и грантораспорядителей к этому направлению астрофизики на ближайшие несколько лет. Считается, что сверхмассивные чёрные дыры образуются путём слияния, поэтому объекты промежуточной массы могут быть переходной ступенью при их образовании. Недавно на детекторе гравитационных волн был зафиксирован сигнал от слияния чёрных дыр, в результате которой родился такой объект промежуточной массы (об этом есть отдельная более подробная статья). Но сведений о дырах промежуточной массы пока мало, астрономы обнаружили только несколько кандидатов в такие объекты, а локациями для их поиска как раз являются шаровые звёздные скопления. Есть несколько сценариев, по которым в такой среде может образоваться чёрная дыра: коллапс и слияние звёзд, накапливание остаточного газа на чёрной дыре звёздной массы и др.
Астрономы проанализировали шаровое скопление NGC 6397 в поисках такой чёрной дыры промежуточной массы, которая должна влиять на орбиты звёзд в нём. Для этого использовались данные космических телескопов Hubble и Gaia, что позволило рассчитать траектории и скорости звёзд. Собственное движение звёзд скопления можно определить, сравнивая снимки «Хаббла» за пять лет и определяя смещение объектов на небесной сфере за это время. Данные «Хаббла» дополнили информацией космического телескопа Gaia Европейского космического агентства. Телескоп Hubble позволяет более подробно рассмотреть звёзды ближе к центру скопления, интересные для астрометрии. В то же время телескоп обсерватории Gaia с большим углом обзора используется для более точной калибровки положения объектов по фоновым звёздам. На основании этих комбинированных данных по массам, скоростям и орбитам в скоплении выделили несколько групп звёзд с разными кинематическими характеристиками. Также в исследованиях проводили оценки плотности скопления в разных его областях.
Результаты показали, что орбиты звёзд в скоплении достаточно случайны, а скорости распределены практически равномерно на расстояниях до двух эффективных радиусов скопления. Моделирование предполагает, что в скоплении присутствует внутренний центральный компонент значительной массы. Это может быть или чёрная дыра с массой 500 — 650 солнечных масс, или внутреннее скопление компактных звёзд (то есть белых карликов и нейтронных звёзд — объектов очень малого размера по сравнению с обычными звёздами) и чёрных дыр звёздной массы. Но такая хаотичность скоростей и траекторий звёзд указывает на то, что центральный массивный компонент скопления — не точечный объект, а распределённая структура, которая занимает несколько процентов от размера кластера. Если центральную часть занимает небольшая по размеру и массивная чёрная дыра, орбиты звёзд будут более регулярными — близкими к круговым, или очень вытянутыми, такими, как соответственно орбиты планет и комет в Солнечной системе вокруг массивного центрального тела (Солнца). Однако движения звёзд в скоплении указывают на другой вероятный сценарий. В центре скопления располагается подгруппа тёмных компонентов с общей массой от 1000 до 2000 масс Солнца, половина которых сконцентрирована в пределах 2% эффективного радиуса скопления. В этой подгруппе должны доминировать чёрные дыры звёздной массы. Процессы их слияния в будущем могут стать важным источником гравитационных волн, которые можно обнаружить и при помощи детекторов на Земле.