Исследование Локальной пустоты: вблизи Солнечной системы обнаружены пять кандидатов в изолированные черные дыры

Исследование Местной пустоты: вблизи Солнечной системы обнаружены пять кандидатов в изолированные черные дыры

Хотя, по оценкам, в Млечном Пути насчитывается до миллиарда черных дыр, большинство из них остаются невидимыми, дрейфуя сквозь межзвездную пустоту без звезд-компаньонов, которые могли бы подпитывать их светимость. Эти «темные» остатки сколлапсировавших звезд представляют собой один из самых значимых недостающих фрагментов на нашей карте ближнего космоса. Однако в новом исследовании, проведенном группой ученых, в которую вошли Abdurakhmon Nosirov, Cosimo Bambi и Andrea Santangelo, для поиска этих неуловимых объектов был использован каталог Gaia DR3 Европейского космического агентства. Анализ команды позволил выявить пять потенциальных кандидатов в изолированные черные дыры в пределах всего 15 парсек (приблизительно 50 световых лет) от Солнечной системы, что стало критически важным шагом в поиске ближайших к Земле гравитационных монстров.

Невидимый миллиард: скрытая популяция

Теоретические модели галактической эволюции предполагают, что Млечный Путь — это кладбище массивных звезд. По прогнозам, в нашей галактике существует от 100 миллионов до 1 миллиарда черных дыр звездных масс, образовавшихся в результате гравитационного коллапса светил, которые жили быстро и погибли при взрывах сверхновых. Хотя многие из этих черных дыр родились в двойных системах, ожидается, что большинство из них сегодня изолированы. Бурные процессы «пинков» при взрывах сверхновых или расширение умирающей звезды в красный сверхгигант часто разрывают двойные связи, заставляя образовавшуюся черную дыру скитаться по галактике в одиночестве. Поскольку у таких изолированных черных дыр нет звезды-компаньона, из которой можно было бы выкачивать газ — процесс, создающий яркое рентгеновское излучение, обычно используемое для их поиска, — они остаются практически необнаружимыми для обычных телескопов.

Сканирование периметра в 50 световых лет

Исследование было сосредоточено на конкретном «местном объеме» в пределах 15 парсек от Солнца. Это расстояние выбрано не случайно; оно представляет собой рубеж как для нынешней точности наблюдений, так и для научных амбиций будущего. Как отметили авторы исследования, в том числе Cosimo Bambi из Fudan University и New Uzbekistan University, обнаружение черной дыры в этом радиусе 50 световых лет необходимо для визионерских проектов будущего, таких как отправка межзвездных зондов для изучения горизонта событий вблизи. На больших расстояниях время полета даже высокоскоростного космического аппарата превысило бы столетие, что делает радиус в 15 парсек практическим пределом для исследований в масштабах человеческой жизни. Статистические оценки показывают, что теоретически в этой окрестности должна находиться как минимум одна или несколько черных дыр, однако до сих пор ни одна из них не была окончательно идентифицирована.

Методология Gaia DR3

Чтобы найти эти скрытые объекты, команда обратилась к космическому аппарату Gaia, который предоставляет самую точную астрометрическую карту Млечного Пути на сегодняшний день. Методология опиралась на поиск «темных» источников — объектов, обладающих массой и измеримым положением, но лишенных ожидаемого светового профиля стандартной звезды. Исследователи отфильтровали каталог Gaia Data Release 3 (DR3), выискивая аномалии в собственном движении и параллаксе, которые могли бы указывать на присутствие массивного невидимого компаньона или изолированного компактного объекта. Такой поиск чрезвычайно сложен, поскольку на расстоянии 15 парсек плотность звезд относительно мала, и черная дыра редко проходит достаточно близко к видимой звезде, чтобы выдать себя гравитационными возмущениями. Вместо этого команда искала свидетельства света, излучаемого не звездой-компаньоном, а самим вакуумом пространства.

Питание из межзвездной среды

Даже изолированная черная дыра не хранит полное молчание, если она проходит через достаточно плотную среду. В исследовании поясняется, что Местные межзвездные облака (LIC) — области теплого, частично ионизированного газа — занимают от 5% до 20% объема в пределах 50 световых лет от Земли. Если изолированная черная дыра находится внутри одного из таких облаков, она может аккрецировать газ непосредственно из межзвездной среды (ISM). Этот процесс, хотя он гораздо слабее аккреции в двойных системах, может создавать обнаруживаемый электромагнитный сигнал в различных диапазонах волн. Однако за пределами этих облаков межзвездная среда слишком разрежена, и скорость аккреции падает настолько низко, что черная дыра остается фактически невидимой для современных обсерваторий.

Идентификация пяти кандидатов

После тщательного отбора данных Gaia исследовательская группа, в которую вошли специалисты из University of Warwick и Shanghai Astronomical Observatory, выявила пять конкретных источников, соответствующих профилю кандидатов в изолированные черные дыры. Эти объекты демонстрируют астрометрические характеристики, согласующиеся с компактными массами, но не имеют типичных признаков звезд, сжигающих водород. Однако открытие сопровождается важными оговорками. «Все кандидаты расположены близко к плоскости Галактики», — отмечают исследователи, что вводит вероятность «ложных астрометрических решений». В густонаселенных областях неба фоновые звезды или немоделируемые двойные системы могут имитировать сигналы изолированной черной дыры, что усложняет процесс верификации.

Сложности верификации и последующих наблюдений

Отличить настоящую изолированную черную дыру от тусклого коричневого карлика, массивного белого карлика или просто ошибки в данных — первоочередная задача. Поскольку местная звездная плотность невелика, вероятность того, что черная дыра обнаружит свое присутствие через «тесное сближение» с соседней звездой — когда гравитация заметно изменит путь светила, — крайне мала. Следовательно, научное сообщество должно полагаться на последующие многоволновые наблюдения. Если эти пять кандидатов подлинные, они должны демонстрировать специфические спектры, связанные с аккрецией межзвездного газа. Если же они являются ложными результатами, вызванными «скученностью» или «немоделируемой двойственностью», дальнейшая съемка с высоким разрешением со временем выявит скрытые звезды или артефакты данных, ответственные за сигнал Gaia.

Значение для физики и исследований

Подтверждение существования хотя бы одной изолированной черной дыры в пределах 50 световых лет стало бы революционным для астрофизики. Такое открытие предоставило бы близлежащую лабораторию для проверки метрики Керра Общей теории относительности без «шума» массивной звезды-компаньона. Как подчеркивают такие исследователи, как Andrea Santangelo и Jiachen Jiang, среда вокруг этих объектов идеальна для тестирования гравитации в режиме самого сильного поля. Кроме того, существование локальной черной дыры подтвердило бы модели популяционного синтеза, которые в настоящее время с трудом согласуют количество массивных звезд-прародителей с наблюдаемым числом остатков в окрестностях Солнца.

Что дальше: будущее поисков

Путь к подтверждению этих пяти кандидатов только начинается. Будущие выпуски данных Gaia (DR4 и последующие) обеспечат более длительные периоды наблюдений, что позволит астрономам уточнить орбиты и собственные движения этих источников с еще большей точностью. Кроме того, следующее поколение радио- и рентгеновских обсерваторий может оказаться достаточно чувствительным, чтобы уловить слабый «шип» газа, падающего на эти кандидаты. Хотя исследователи сохраняют осторожность, отмечая, что пять источников нельзя однозначно подтвердить или исключить без дополнительных данных, поиск успешно сузил круг охоты на самых неуловимых обитателей Млечного Пути. Определение нашей ближайшей соседки — черной дыры — теперь является вопросом не «если», а «когда».