Тихие чёрные дыры со звёздами-компаньонами поставили перед астрономами загадку

Европейский астрономический спутник Gaia обнаружил три чёрные дыры звёздной массы, которые не поглощают материю компаньонов и потому не излучают в рентгеновском диапазоне. Их параметры трудно согласовать с традиционными моделями формирования двойных систем, и учёные ищут объяснение этому несоответствию. Исследование опубликовано в The Astrophysical Journal.

Как Gaia находит невидимые объекты

Активные чёрные дыры обнаружить относительно просто: их разогретые аккреционные диски ярко светятся в рентгеновском диапазоне, а джеты видны на самых разных длинах волн. Однако большинство чёрных дыр звёздной массы неактивны: они либо дрейфуют по галактике в одиночестве, либо обращаются вокруг звезды-компаньона, не поглощая её вещество. Напрямую наблюдать их невозможно — только косвенно, по воздействию на соседние объекты.

Основная задача Gaia — составить карту позиций и движений более миллиарда звёзд в окрестностях Млечного Пути. Для этого прибор измеряет положения с такой точностью, что способен уловить крошечное «покачивание» звезды, вызванное гравитационным притяжением невидимого спутника. В трёх случаях масса спутника оказалась достаточно велика, чтобы исключить планетарное происхождение, а сам объект при этом оставался полностью невидим для Gaia — значит, это чёрная дыра.

Проблема: слишком близкие орбиты

Все три открытые системы — Gaia BH1, BH2 и BH3 — содержат небольшую звезду, обращающуюся вокруг чёрной дыры. Это означает, что в прошлом они были асимметричными двойными: одна звезда была значительно массивнее другой, позже она коллапсировала в чёрную дыру.

В системе Gaia BH3 (чёрная дыра массой около 33 солнечных) орбита достаточно широкая — примерно так, как и ожидает теория. Однако в BH1 и BH2 звёзды-компаньоны обращаются значительно ближе. Это создаёт серьёзную проблему: когда массивная звезда умирает, она сначала сильно расширяется. Близко расположенный компаньон должен был бы оказаться внутри этой оболочки и слиться с умирающей звездой ещё до того, как образовалась чёрная дыра. Как тогда он уцелел?

Ключевые параметры трёх систем:

• Gaia BH1: масса чёрной дыры около 9,6 солнечной, орбитальный период ~186 суток, компаньон схож с Солнцем.
• Gaia BH2: масса чёрной дыры около 8,9 солнечной, орбитальный период ~1277 суток, компаньон — красный гигант.
• Gaia BH3: масса чёрной дыры ~33 солнечных, орбитальный период ~4253 суток, компаньон — маломассивная металлобедная звезда.

Один из возможных ответов

Авторы нового исследования рассматривают так называемый перенос вещества через полость Роша как возможный механизм, объясняющий выживание компаньонов в BH1 и BH2. Полость Роша — это область пространства, в которой гравитация данной звезды преобладает над притяжением соседа. Когда расширяющаяся оболочка умирающей звезды выходит за пределы своей полости Роша, приливные силы могут захватить часть вещества компаньоном. Если начальный поток достаточно разрежен, меньшая звезда способна принять его, не затягивая системы в слияние.

Авторы подчёркивают, что при трёх наблюдаемых системах накопленных данных недостаточно, чтобы окончательно подтвердить эту модель. Тем не менее полученные результаты показывают, что путь от асимметричной двойной к системе с чёрной дырой значительно сложнее, чем предполагалось ранее.

Читайте также по теме: новом представлении сингулярности чёрной дыры.

С выходом новых данных Gaia в конце 2026 года число известных тихих чёрных дыр может существенно вырасти, что откроет возможность проверить конкурирующие гипотезы на более широкой выборке.