Най-близката черна дупка всъщност не е толкова далече от нас

Противно на това, което може да подсказва името им, черните дупки не са просто огромни области в нищото. Черната дупка е астрономически обект, чието гравитационно привличане е толкова силно, че нищо не може да избяга от него, дори светлината. Известна като „хоризонт на събитията“, „повърхността“ на черната дупка маркира точката, където скоростта, необходима за бягство, е по-висока от скоростта на светлината. След като радиацията и материята попаднат вътре, те остават там за дълго време.

Но колко близо е най-близката до Земята черна дупка (за която ни е известно)? Оказва се, че не е толкова далеч в голямата схема на нещата.

GAIA BH1: най-близката черна дупка

Gaia BH1 е само на 1600 светлинни години от нас, в съзвездието Змиеносец. Това е три пъти по-близо до Земята от предишния рекордьор – рентгенова двойна система в съзвездието Еднорог. Gaia BH1 е открита през 2022 г. от космическия телескоп Gaia на Европейската космическа агенция. Находката става възможна благодарение на внимателни наблюдения на спътника на черната дупка – подобна на Слънцето звезда, обикаляща около черната дупка на приблизително същото разстояние, на което Земята обикаля около Слънцето.

„Вземете Слънчевата система, поставете черна дупка там, където е Слънцето, и Слънцето там, където е Земята, и ще получите тази система“, каза Карийм Ел-Бадри, астрофизик в Центъра за астрофизика Харвард-Смитсониън и Института по астрономия „Макс Планк“ и водещ автор на статията, описваща находката от миналата година. „Това е първото недвусмислено откриване на подобна на Слънцето звезда в широка орбита около черна дупка със звездна маса в нашата Галактика.“

За по-нататъшно изследване на системата Ел-Бадри и колегите му използват инструмента Gemini Multi-Object Spectrograph на телескопа Gemini North, който измерва скоростта на звездата компаньон, докато обикаля около черната дупка, и осигурява точно измерване на нейния орбитален период.

„Нашите последващи наблюдения на Джемини потвърдиха извън всякакво съмнение, че двойната система съдържа звезда и поне една спяща черна дупка – казва Ел-Бадри. – Не можахме да намерим правдоподобен астрофизичен сценарий, който да обясни наблюдаваната орбита на системата, която не включва поне една черна дупка.“

Системата Gaia BH1 е необичайна, защото противоречи на текущото разбиране на учените за това как се образуват черните дупки. BH1 е достатъчно масивна, за да се превърне в свръхгигант в началото на живота си като звезда. В интерес на истината, тя вече трябва да е нараснала достатъчно, за да погълне звездата си спътник много преди да стане това, което е днес.

„Интересно е, че тази система не се побира лесно от стандартните модели на двоична еволюция – отбелязва Ел-Бадри. – Това поставя много въпроси за това как се е формирала тази двоична система, както и колко спящи черни дупки има там.“

Рентгеновите телескопи не може да се използват за директно наблюдение на черни дупки. Но като изучават ефекта на черните дупки върху близката материя, учените могат да направят извод за тяхното съществуване и да научат повече.

Например, ако черна дупка пътешества (да, те могат да се движат) през облак от междузвездна материя, тя ще натрупа част от този облак в себе си. Подобен процес може да възникне, ако обикновена звезда се приближи достатъчно близо до черна дупка. Когато звездата се приближи до черната дупка, тя рискува да бъде разкъсана.

Поради повишената скорост и температура, привлечената материя освобождава рентгенови лъчи в околното пространство, чиито сигнатури астрономите могат да открият и използват за идентифициране на черни дупки. Нови свидетелства сочат, че черните дупки влияят дълбоко на тяхната местна среда, независимо дали чрез излъчване на мощни гама-лъчи, поглъщане на близки звезди, или стимулиране на растежа на нови звезди в някои региони, докато го спират в други.

Кои са най-близките черни дупки до Земята?

Освен BH1 астрономите са идентифицирали редица други близки черни дупки. Подредени от най-близкия до най-далечния, те включват:

A0620-00 (3300 светлинни години). A0620-00 се състои от два обекта, звезда от главната последователност тип K и черна дупка със звездна маса. Двата обекта обикалят един около друг на всеки 7,7 часа.

Gaia BH2 (3800 светлинни години). Gaia BH2 е двоична система, състояща се от червен гигант и много вероятно черна дупка със звездна маса. Gaia BH2 първоначално е открита като двоичен кандидат за черна дупка през 2022 г. заедно с Gaia BH1.

MOA-2011-BLG-191 (на 5000 светлинни години). OGLE-2011-BLG-0462, известна още като MOA-2011-BLG-191, е черна дупка със звездна маса, изолирана в междузвездното пространство, в посока на галактичната издутина (бълдж) в съзвездието Стрелец.

GRS 1124-683 (5400 светлинни години). Източникът на гама- и рентгенови лъчи GRS 1124-683, открит от мисията Granat и Ginga, е система, съдържаща кандидат за черна дупка.

XTE J1118+480 (5700 светлинни години). XTE J1118+480 е рентгенова двойна система с ниска маса в съзвездието Голяма мечка. Тя най-вероятно съдържа черна дупка и вероятно е микроквазар.

Откъде идват черните дупки?

Останките от масивни звезди, които експлодират като свръхнови, са основният източник на черни дупки. Неутронните звезди не могат да улавят светлина, защото не са достатъчно масивни, за да се образуват от по-малки звезди. Ако общата маса на звездата е достатъчно голяма – около три пъти по-голяма от масата на Слънцето – теоретично може да се докаже, че никаква сила не може да попречи на звездата да се срине под въздействието на гравитацията. Докато звездата се разпада обаче, се случва особен феномен. Когато повърхността на звезда се доближи до хоризонта на събитията, местното време се забавя в сравнение с времето, регистрирано от далечни наблюдатели. След като повърхността на звездата достигне тази точка, от която няма връщане (хоризонта на събитията), процесът на колапс се замразява и звездата престава да се свива.

Черните дупки, създадени от космически сблъсъци, са дори по-масивни от тези, създадени от свръхнови. Телескопът Swift на НАСА за пръв път наблюдава преходни, интензивни гама-лъчи в месеците след изстрелването му през декември 2004 г. Рентгеновата обсерватория Chandra и космическият телескоп Hubble също забелязали интензивни експлозии, което накарало изследователите да заключат, че тези мощни експлозии са резултат от сливането на черна дупка и неутронна звезда, образувайки още една черна дупка.

Въпреки че знаем как се създават черните дупки на най-базовото им ниво, все още не знаем как могат да съществуват в две такива различни мащаби. От една страна, има многото черни дупки, които са всичко, което е останало от някогашните масивни звезди. Тези черни дупки със „звездна маса“ варират в маса от приблизително 10 до 24 пъти по-голяма от тази на Слънцето и може да бъдат намерени в целия Космос. Когато друга звезда се приближи достатъчно близо до черна дупка, част от материята около нея се засмуква в черната дупка от нейната гравитация, излъчвайки рентгенови лъчи, които може да бъдат открити от астрономите. Въз основа на броя на масивните звезди в Млечния път учените смятат, че може да има до милиард черни дупки.

На другата крайност са „свръхмасивните“ черни дупки, милиони до милиарди пъти по-масивни от Слънцето. Смята се, че свръхмасивните черни дупки се намират в галактичното ядро на почти всички големи галактики, включително нашия собствен Млечен път (Стрелец A*). Астрономите могат да наблюдават ефектите им върху близките звезди и газ, за да ги идентифицират.

Изследователите отдавна поддържат твърдото убеждение, че не съществуват черни дупки със средна маса. Но последните данни от Chandra, XMM-Newton и Hubble подкрепят съществуването на черни дупки със среден размер. Натрупването на изключително масивни звезди, които след това колапсират, образувайки черни дупки със средна маса, е потенциален механизъм за образуване на свръхмасивни черни дупки чрез верижна реакция на сблъскващи се звезди в компактни звездни купове. След това звездните купове падат в центъра на галактиката, където черните дупки със средна маса се сливат, за да образуват свръхмасивна черна дупка.