Долгое время учёные не могли найти чёрные дыры небольшого размера – астрономы даже задумались о том, а существуют ли такие вообще. Но новая серия открытий, включая обнаружение чёрной дыры-«единорога», дало надежду на решение этой давней загадки.

Почти десять лет назад Фериал Озель с коллегами заметили нечто странное. Хотя в нашей Галактике нашлось множество чёрных дыр различного размера, не было найдено ни одной, размер которой был бы меньше определённой величины. «Наблюдался дефицит чёрных дыр массой меньше пяти солнечных, — сказала она. – Это было очень важно со статистической точки зрения».

С тех пор, как в Озель, астрофизик из Аризонского университета, опубликовала в 2010-м работу по этому вопросу, этот «разрыв масс» оставался необъяснимым. И даже после того, как детекторы гравитационных волн LIGO и Virgo начали находить десятки ранее скрытых чёрных дыр – не исключая и некоторые неожиданные варианты – разрыв масс никуда не делся.

В какой-то момент астрофизики начали задумываться: небольшие чёрные дыры просто трудно найти, или их вообще нет? «Важно подтвердить наблюдениями реальность этого разрыва, либо решить, что это – артефакт наблюдений», — сказала Вики Калогера, астрофиизк из Северо-западного Университета, лидер команды LIGO.

Недавние открытия начинают подводить нас ко второму варианту. За последние два года в исследователи нашли несколько кандидатов на чёрные дыры, попадающих в интересующий нас диапазон. А в январе этого года астрономы представили свидетельства наличия наилучшего на сегодня кандидата: объект массой в 2,9 солнечных, прозванный «единорогом».

До ввода в строй LIGO астрономы находили чёрные дыры в основном по рентгеновскому излучению, которое они испускают, засасывая материю находящейся рядом звезды. Также они могут обнаружить гравитационное воздействие чёрной дыры на другую звезду в двойной системе. Исследователи «единорога» выбрали второй метод, сконцентрировавшись на системе V723 Единорога, расположенной в тысяче световых лет от нас. Они изучали движение красного гиганта при помощи различных телескопов, включая охотящийся за экзопланетами космический телескоп Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) и космический телескоп Гайя Европейского космического агентства. Последний размечает местоположение миллиардов звёзд нашей Галактики.

Исследователи сделали вывод о том, что красный гигант танцует с невидимым партнёром. «Проще всего считать, что этот тёмный компаньон представляет собой одиночный компактный объект – скорее всего, это чёрная дыра, укладывающаяся в разрыв масс», — писала команда.

Если это открытие подтвердится, оно поможет нам лучше понять то тонкое разграничение, которое природа делает в конце жизни массивных звёзд. Когда такая звезда полностью расходует своё топливо, вся её масса устремляется вовнутрь, и звезда схлопывается. Если масса может взорваться, преодолев гравитационное притяжение, она разлетается, образуя сверхновую. Если же нет, и масса оказывается слишком большой, звезда схлопывается внутрь, формируя чёрную дыру.

«Происходит гонка между взрывом и формированием чёрной дыры», — сказал Тодд Томпсон, астрофизик-теоретик из государственного университета Огайо, соавтор недавно опубликованной работы. «Гонку необходимо выиграть где-то за секунду. Если за эту секунду звезда не взорвётся, то сформируется чёрная дыра. Если взорвётся, то на месте взрыва останется нейтронная звезда».

Что конкретно определяет, взорвётся ли звезда, став сверхновой, или схлопнется в чёрную дыру, пока неясно. «Физика взрывов сверхновых – одно большое неизвестное», — сказал Томпсон. Разрыв масс чёрных дыр может «стать важнейшим ключом к этому процессу».

Пока что в области разрыва масс было сделано несколько не вполне убедительных открытий. Бенджамин Гизерс с коллегами из Гёттингенского университета в 2018 году открыли кандидата на чёрную дыру массой 4,4 солнечных. Томпсон с коллегами нашли в 2019 году кандидата массой в 3,3 солнечных.

В прошлом году учёные из LIGO объявили о находке объекта массой в 2,6 солнечных – соблазнительного кандидата на чёрную дыру с массой, удобно укладывающейся в разрыв. «Наилучший из кандидатов на чёрную дыру из разрыва масс – это объект от LIGO», — сказал Томпсон.

Однако при таких малых массах очень сложно отличить чёрную дыру от нейтронной звезды – теоретически последние могут дорастать до трёх солнечных масс. И, в зависимости от определённых условий, нейтронные звёзды тоже могут казаться чёрными. «Если нейтронная звезда представляет собой пульсар, луч которого направлен в нашу сторону – всё очевидно, — сказал Том Маккароне, эксперт по чёрным дырам и нейтронным звёздам из Техасского университета. – А если нет, её будет очень сложно отличить» от чёрной дыры.

Все последние открытия мелких чёрных дыр, в т.ч. и LIGO, пока не подтверждены – как и «единорог». «Выглядят они правдоподобно, — сказала Озель. – Думаю, что методы у них верные, и анализ тщательный. Есть, конечно, пара других возможностей, но их заключение — что это, скорее всего, тёмный объект с массой в 2,9 солнечных – кажется мне надёжным».

Уверены в этом не все. Во-первых, возможно, эта система окажется не двойной, а тройной, и недостающей массой окажутся два мелких объекта. Маккароне говорит, что если единорог – это чёрная дыра, он должен стягивать материю со своей звезды-компаньона, излучая в рентгеновском диапазоне. «Рентгеновское излучение там слишком тусклое для чёрной дыры», — сказал он.

Есть ещё неопределённость и с массой этого объекта. Самая лучшая оценка даёт 2,9 солнечных масс – однако авторы говорят, что эта величина может составлять как 2,6, так и 3,6 солнечных масс. «Этот диапазон слишком широк для того, чтобы можно было с уверенностью заявить, что это не нейтронная звезда, — сказала Калогера. – И ни одно из наблюдений не позволяет нам понять, нейтронная это звезда или чёрная дыра».

Если окажется, что это не чёрная дыра, да ещё и другие кандидаты не выдержат тщательных проверок, тогда останется вариант, что чёрные дыры с массой менее 5 солнечных просто не формируются. Это откровение очень серьёзно повлияет на наше понимание физики сверхновых. «Если в этом диапазоне действительно будет разрыв, это будет означать, что расширение проходит чрезвычайно быстро, — сказал Маккароне. – Мы не настолько хорошо понимаем, что именно лежит в основе взрывов сверхновых, чтобы иметь какие-то конкретные ожидания».

А если единорог окажется чёрной дырой, она сможет стать одной из множества чёрных дыр, ожидающих, когда их откроют и изучат. «Вот чем эта работа интересна, — говорит Озель. – Если настанет время, когда мы найдём больше, чем один-два таких объекта, мы сможем понять, какие процессы порождают чёрные дыры меньших масс».