Астрономы научились искать "спящие" чёрные дыры

Астрономы предложили новый метод поиска чёрных дыр звёздной массы. По расчётам специалистов, он позволит втрое увеличить число объектов этого класса после наблюдения всего 10% плоскости Галактики в обычные оптические телескопы.

Методика описана в научной статье, опубликованной в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Хорхе Касаресом (Jorge Casares) и Мануэлем Торресом (Manuel Torres) из Канарского института астрофизики.

Чёрные дыры потому и называются чёрными, что сами по себе они ничего не излучают, кроме чрезвычайно слабого и потому неуловимого для телескопов излучения Хокинга. Как правило, эти объекты обнаруживаются благодаря свечению (в разных диапазонах) облака падающего на них вещества, так называемого аккреционного диска.

Откуда берётся это облако? Для чёрных дырах звёздной массы источником этой материи обычно служит близкая звезда, с которой они составляют тесную двойную систему. «Хищница» буквально отрывает от своей соседки куски (вернее, постоянно забирает на себя истекающая струю вещества).

Однако обычно свечение такого аккреционного диска слишком слабое, чтобы астрономы заметили его и сделали надёжные выводы о его природе. Только когда на чёрную дыру вдруг падает неожиданно большая порция вещества, происходит рентгеновская вспышка, сигнализирующая об очередной обильной «трапезе».

Благодаря таким всполохам в Галактике найдено около 60 двойных систем, в которых один из компонентов, вероятно, представляет собой чёрную дыру. Но лишь о 17 из них это можно сказать с уверенностью.

Дело в том, что похожим «поеданием светил» занимаются близкие родственники чёрных дыр – нейтронные звёзды. Выяснить, какой из двух объектов творит это космическое безобразие в той или иной конкретной системе, очень непросто.

Классический способ требует с большой точностью измерить параметры орбиты звезды вокруг своего «мучителя». Эти данные позволяют рассчитать гравитационное поле «хищника» и тем самым установить его природу (у чёрных дыр оно гораздо сильнее, чем у нейтронных звёзд). Однако такие измерения – очень нетривиальная и не всегда выполнимая задача.

Касарес и Торрес предложили другой подход. Авторы обратили внимание на свечение аккреционного диска в спектральной линии H-альфа (это одна из линий излучения водорода). Ширина линии зависит от величины гравитационного поля, в котором находится излучающее вещество. Значит, можно измерить величину силы притяжения и тем самым установить природу тяготеющего объекта. Этот метод имеет немалые преимущества перед классическими.

Во-первых, он позволяет обнаруживать чёрные дыры в тесных двойных системах даже в спокойном режиме (без вспышек, которые, к слову, случаются довольно редко).

Во-вторых, астрономы могут с уверенностью сказать, что имеют дело с чёрной дырой, даже не измеряя орбиту второго компонента.

В-третьих, для таких наблюдений достаточно оптического телескопа, а их значительно больше, чем рентгеновских. Это связано с тем, что наблюдения в видимом свете можно вести и с Земли, а рентгеновский телескоп нужно выводить в космос, так как «X-лучи» не проникают сквозь атмосферу. Понятно, что орбитальная обсерватория при прочих равных условиях значительно дороже наземной. Кроме того, на поверхности планеты проще построить более «умелый» прибор и постоянно его совершенствовать.

Наконец, не обязательно даже получать полноценный оптический спектр. Как показали авторы, особая комбинация светофильтров, пропускающая свет лишь в нужном диапазоне частот, позволяет измерить ширину линии H-альфа с погрешностью всего 10%, а этого вполне достаточно, чтобы рассчитать гравитационное поле с нужной точностью.

Чтобы доказать последний тезис, учёные пронаблюдали на телескопе WHT четыре системы с чёрными дырами, существование которых подтверждено классическими методами. Исследователи измерили ширину линии по своей методике, а потом сравнили полученный результат с данными спектральных наблюдений на инструменте GTC. Анализ показал, что обе величины совпадают с достаточной точностью.

По оценкам авторов, наблюдение всего 10% плоскости Галактики (около тысячи квадратных градусов) по их методике позволит открыть не менее 50 новых чёрных дыр звёздной массы. А их, напомним, известно всего 17, то есть предполагается почти трёхкратный рост.

Кроме того, такие наблюдения, вероятно, помогут открыть новые двойные системы с нейтронными звёздами, ультракомпактные двойные звёзды с периодом обращения менее часа и другие интересные объекты.

Напомним, что ранее «Вести.Наука» (nauka.vesti.ru) писали о «переписи» практически неуловимых чёрных дыр средней массы и о том, как «спокойную» чёрную дыру впервые обнаружили в шаровом скоплении.