Відкриття першої зоряної чорної діри в Омеґа Центавра

Омега Центавра, масивний глобулярний кластер, протягом багатьох років привертає увагу астрономів через ймовірну наявність численних чорних дір. Проте, докази їх існування залишалися рідкісними. Нещодавно команда астрофізиків, використовуючи архівні дані космічного телескопа Габбл та додаткові спостереження з телескопа Джеймса Вебба, змогла виявити першу зоряну чорну діру в цьому кластері. Результати дослідження були опубліковані в The Astrophysical Journal Letters.

Омега Центавра складається з близько 10 мільйонів зірок, які утримуються разом гравітаційно, і розташований на відстані 18 000 світлових років від Землі. Хоча раніше вже було виявлено чорну діру середньої маси в його центрі, моделі припускають, що в кластері повинно бути близько 10 000 зоряних чорних дір. Однак попередні спостереження, які використовували методи радіальної швидкості або шукали радіо- та рентгенівські випромінювання, не змогли виявити цю значну популяцію.

Дослідники на чолі з Метью Уїтакером з Університету Юти застосували новий підхід, зокрема астрометрію, що дозволяє вимірювати незначні рухи зірок з часом. Аналізуючи понад 20 років архівних даних Габбла та доповнюючи їх новими даними з телескопа Вебба, команда змогла локалізувати зірку, що обертається навколо невидимого об'єкта, маса якого настільки велика, що це неминуче вказує на чорну діру. Цю чорну діру назвали oMEGACat BH-2, і вона є першою виявленою зоряною чорною дірою в Омеґа Центавра.

oMEGACat BH-2 має масу 4,46 маси Сонця, що нижче за очікування. У парі з супутньою зіркою, ця система є бінарною чорною дірою зі найдовшим відомим періодом обертання — 94 роки.

Точність вимірювань вражає: вона досягає частки пікселя на детекторах Габбла та Вебба. Важливо зазначити, що раніше інша група дослідників припустила наявність нейтронної зірки в цій бінарній системі. Проте, доповнивши дані Габбла новими астрометричними вимірюваннями, а також даними ближнього інфрачервоного діапазону з телескопа Вебба, Уїтакер та його команда змогли відкинути гіпотезу про нейтронну зірку, оскільки маса супутньої зірки була занадто великою для цього.

Незважаючи на те, що маса чорної діри нижча від очікуваної для середовища з низьким вмістом металів, відкриття oMEGACat BH-2 дозволить уточнити сучасні теорії щодо формування чорних дір в таких умовах, як в Омеґа Центавра.

Що стосується періоду обертання, команда змогла відстежити траєкторію зірки понад 20 років, зокрема під час її найближчого підходу до чорної діри, коли вона рухалася найшвидше. На основі цих даних було встановлено, що зірка обертається навколо oMEGACat BH-2 за 94 роки, що робить цю бінарну систему з найдовшим періодом обертання, коли-небудь зафіксованим. Це також вказує на те, що система, ймовірно, утворилася динамічно, тобто зірка та чорна діра не були спочатку парою, а зустрілися в кластері та залишилися пов'язаними гравітаційно.

Дослідники підрахували, що система, подібна до oMEGACat BH-2, повинна проіснувати менше мільярда років, перш ніж бути розділеною через зіткнення з сусідніми зірками, що є значно коротшим терміном, ніж вік кластера, приблизно 12 мільярдів років.

Важливо розуміти популяції чорних дір у глобулярних кластерах, оскільки їх фізика та формування залишаються невизначеними. Зокрема, важливо вивчити процес формування чорних дір, а також динамічне формування бінарних систем, оскільки це впливає на нашу здатність інтерпретувати та розуміти гравітаційні хвилі. Не слід забувати, що саме такі середовища, як Омеґа Центавра, є основними місцями, де бінарні чорні діри зливаються та створюють гравітаційні хвилі.

Дослідження бінарних систем за радіальною швидкістю в глобулярних кластерах стало можливим завдяки вимірюванням з MUSE у кількох епохах, проведеним у NGC 3201, ω Cen та 47 Tuc, але вони виявили лише дві чорні діри в NGC 3201. Багато бінарних систем, виявлених за радіальною швидкістю в ω Cen, не мають точних орбітальних обмежень, але дослідники вважають, що бінарні чорні діри з коротким періодом (< 1 рік) можуть бути охарактеризовані за допомогою цих даних, якщо видима супутня зірка є яскравішою. Аналіз існуючих даних про інші кластери та підвищене спостереження можуть також призвести до виявлення нових бінарних чорних дір.

У будь-якому випадку, нові виявлення будуть необхідні для кращого розуміння популяції чорних дір у глобулярних кластерах. Виявлення oMEGACat BH-2 знаменує початок нової ери для астрометричного відкриття чорних дір у глобулярних кластерах.