Ученые объявили о первом в истории открытии свободно плавающей черной дыры, блуждающей в пустоте примерно в 5000 световых лет от Земли. Это темный объект, весом в семь раз больше массы нашего Солнца. Результат, появившийся 31 января на сервере препринтов arXiv, но еще не прошедший рецензирование, представляет собой кульминацию более чем десятилетнего напряженного поиска. «Это очень интересно», — говорит Марина Рейкуба из Европейской южной обсерватории в Германии, соавтор статьи. «Мы действительно можем доказать, что изолированные черные дыры существуют». Это открытие может быть только началом; Ожидается, что текущие исследования и предстоящие миссии найдут еще десятки или даже сотни темных, одиноких путешественников. «Это верхушка айсберга», — говорит Карим Эль-Бадри из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, не участвовавший в работе.
В 1919 году британский астроном Артур Стэнли Эддингтон провел знаменитый эксперимент. Теории специальной и общей теории относительности Эйнштейна постулировали, что массивные объекты должны вызывать вмятину в пространстве-времени, искривляя близлежащие лучи света в процессе, известном как гравитационное линзирование. Эддингтон доказал это во время полного солнечного затмения, когда яркость солнца была сведена к минимуму, так что можно было увидеть фоновые звезды. Используя астрометрия, он тщательно отметил положения этих звезд до и во время затмения, выявив слабое изменение их видимого положения на небе из-за того, что их свет искажается значительным гравитационным притяжением нашей звезды. Видимое положение звезд немного сдвинулось.
В последующие десятилетия ученые нашли новое применение этой технике. Звезды, масса которых более чем в 20 раз превышает массу нашего Солнца, должны образовывать черные дыры в конце своей жизни, когда их тяжелые ядра коллапсируют под собственным весом после истощения их термоядерного топлива. Рождение такой черной дыры звездной массы — сферы размером с город, масса которой в десятки раз превышает массу нашего Солнца — часто сопровождается яркой сверхновой из-за огромных энергий, высвобождаемых при коллапсе ядра. Эти силы могут быть настолько велики, что иногда они выбрасывают новорожденную черную дыру прямо из ее чрева в бесконечном межзвездном путешествии. Эта космическая тяга к путешествиям, а также небольшие размеры черных дыр и присущая им темнота должны сделать их почти невозможными для наблюдения. Работа Эддингтона, однако, предполагает, что этих изгоев можно найти, наблюдая за их линзирующими эффектами — как правило, предательское кратковременное осветление любых фоновых звезд, через которые черные дыры пролетают в нашем поле зрения. Шансы увидеть такое событие для изолированной черной дыры были невелики, но, учитывая, что миллионы черных дыр звездной массы дрейфуют по нашей галактике, некоторые из них могут обнаружиться при достаточно широком и долгом обзоре неба.
Поиск этих и других событий так называемого микролинзирования в настоящее время осуществляется несколькими проектами, в том числе экспериментом по оптическому гравитационному линзированию (OGLE), проводимым Варшавским университетом в Польше, и исследованием наблюдений микролинзирования в астрофизике (MOA), проводимым исследователями из Новой Зеландии и Япония. В июне 2011 года эти два исследования обнаружили нечто примечательное: внезапно вспыхнувшая звезда на расстоянии 20 000 световых лет от нас в направлении плотно упакованной галактической выпуклости в центре Млечного Пути. Могло ли это быть событием микролинзирования черной дыры-изгоя? Астрономы бросились выяснять.
Среди них был Кайлаш Саху из Научного института космического телескопа в Балтиморе, ведущий автор препринта arXiv, подробно описывающего открытие объекта. С помощью космического телескопа Хаббл он и его коллеги увеличили масштаб звезды в течение нескольких недель после того, как она стала яркой, а затем возвращались к ней снова и снова в течение следующих шести лет. Они смогли подтвердить, что свет звезды был увеличен, что указывало на присутствие невидимого линзирующего объекта, но они обнаружили кое-что еще более важное. Видимое положение звезды в космосе сместилось на ничтожную величину. Эффект был «в 1000 раз меньше, чем измерял Эддингтон», говорит Саху, и был близок к пределу возможностей Хаббла. Что-то скрытое усилило и исказило свет звезды. Это невидимая черная дыра звездной массы, в 7,1 раза больше массы нашего Солнца.
«Это могла быть только черная дыра», — говорит Саху. Две вещи были необходимы, чтобы подтвердить, что это так. «Первым критерием было отсутствие света, исходящего от линзы», — говорит Саху, чтобы исключить более прозаические объекты, такие как неудавшаяся звезда, известная как коричневый карлик. Во-вторых, эффект увеличения должен иметь большую продолжительность, учитывая обширный размер гравитационной сферы влияния черной дыры. Июньское событие 2011 года, продолжавшееся около 300 дней, отвечало всем требованиям.
Величина линзирования и отклонения света от звезды позволила Саху и его сотрудникам установить, что масса предполагаемой черной дыры составляет немногим более семи масс Солнца. По словам Озеля, это помещает его «посередине» того, что мы ожидаем от черных дыр звездной массы. Команда также смогла рассчитать его скорость. «Он движется со скоростью около 45 километров в секунду, — говорит Саху. Это относительно быстро по сравнению с ближайшими звездами — именно этого можно было бы ожидать, если бы черная дыра получила удар от умирающей массивной звезды. Неясно, когда это событие должно было произойти, но «может быть где-то около 100 миллионов [лет назад]», — говорит Саху.
Обсерватория Веры С. Рубин в Чили, которая должна начать 10-летнее исследование ночного неба в следующем году, также, как ожидается, соберет свой собственный урожай черных дыр-изгоев, как и космический телескоп НАСА Нэнси Грейс Рим, настроенный на запуск в 2027 году.
На данный момент это мрачное открытие предсказывает светлое будущее поиска. Бродячие черные дыры звездной массы, предсказанные давно, но подтвержденные наблюдениями только сейчас. Определение их истинного количества, массы и других свойств может укрепить наши все еще неполные теории звездной эволюции или выявить новые важные пробелы в нашем понимании. «Мы ждали этого открытия много-много лет, — говорит Выжиковски. «Это показывает, что этот метод работает. Гравитационное микролинзирование — это способ найти эти изолированные черные дыры».
на картинке: Художественное видение черной дыры на богатом фоне звезд. Огромное гравитационное поле черной дыры создает вокруг нее искривленную область пространства-времени, «гравитационную линзу», которая искажает свет от фоновых звезд.
