Астрономы сделали открытие, которое меняет наше представление о космическом соседстве. Они нашли убедительные доказательства существования огромной черной дыры прямо у нас под боком — в соседней галактике. Речь идет о Большом Магеллановом Облаке, одном из самых близких к Млечному Пути галактических спутников.

К такому выводу ученые пришли, скрупулезно изучая траектории двадцати одной необычной звезды на окраинах нашей Галактики. Эти светила несутся с чудовищной скоростью — настолько высокой, что гравитация Млечного Пути не в силах их удержать. Астрономы называют такие объекты звездами-беглецами или гиперскоростными звездами.

Исследователи применили метод, похожий на работу криминалистов: по траектории пули они вычисляют, из какого оружия она выпущена. Точно так же ученые восстановили путь этих звезд и выяснили, где началось их стремительное путешествие. Около половины беглецов, как и предполагалось, были изгнаны сверхмассивной черной дырой из центра самого Млечного Пути. Но остальные прибыли откуда-то еще. Источником их оказался неизвестный ранее гигант — черная дыра в Большом Магеллановом Облаке.

Подробности опубликованы в издании The Astrophysical Journal.

Джесси Хан из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, возглавивший исследование, поделился эмоциями:

Просто дух захватывает от мысли, что у нас по соседству, по космическим меркам, есть еще одна сверхмассивная черная дыра. Эти объекты настолько скрытны, что она все это время находилась буквально у нас перед носом, а мы ее не замечали.

Раскрыть тайну помогли данные космической обсерватории Gaia Европейского космического агентства. Этот телескоп с ювелирной точностью составляет карту движения более миллиарда звезд. Вдобавок команда использовала свежие расчеты орбиты Магелланова Облака вокруг нашей Галактики, которые недавно получили другие ученые.

Карим Эль-Бадри из Калифорнийского технологического института пояснил:

Мы давно знали о существовании этих сверхбыстрых звезд, но только Gaia дала нам данные, чтобы понять их происхождение. Соединив эту информацию с новыми теоретическими моделями их движения, мы и наткнулись на это открытие.

Как же рождаются такие звезды? Представьте себе двойную звездную систему — два солнца, кружащих в танце друг вокруг друга. Если такая пара подойдет слишком близко к сверхмассивной черной дыре, гравитация монстра разорвет их на части. Одну звезду черная дыра захватит в плен, и та начнет вращаться вокруг нее по тесной орбите. А вторую, словно пращой, катапультирует прочь. Скорость выброса может достигать миллионов километров в час. Так и появляются звезды-беглецы.

Ключевым моментом в работе стало предсказание компьютерной модели. Ученые рассчитали: если черная дыра в Магеллановом Облаке действительно существует, то из-за того, как эта галактика движется вокруг Млечного Пути, звезды-беглецы должны скапливаться в одном определенном углу нашей Галактики. Те звезды, которые выброшены по направлению движения Магелланова Облака, получат дополнительное ускорение. И данные наблюдений блестяще подтвердили это — такое скопление действительно существует.

Команда ученых проверила и другие возможные причины появления таких звезд. Например, их могло выбросить при взрыве сверхновой в двойной системе, или же сработал механизм гравитационной пращи, но без участия сверхмассивной черной дыры. Однако ни одна из альтернатив не смогла объяснить наблюдаемую картину.

Скотт Лучини, также работающий в Гарвард-Смитсоновском центре, подытожил:

Единственное, что укладывается в наши данные — это существование черной дыры-монстра в соседней галактике. Получается, в нашем космическом квартале не только дыра в центре Млечного Пути занимается выселением звезд из родных галактик.

Проанализировав скорости звезд и подсчитав соотношение беглецов из Млечного Пути и Магелланова Облака, астрономы оценили массу новообретенной черной дыры. Она оказалась в шестьсот тысяч раз тяжелее нашего Солнца. Для сравнения: черная дыра в центре Млечного Пути весит как четыре миллиона солнц, а в далеком космосе встречаются монстры с массой в миллиарды солнечных.

Это прорыв сразу в нескольких направлениях.

1. Новая глава в эволюции галактик. Мы впервые получили прямое подтверждение того, что галактики-спутники могут обзаводиться собственными сверхмассивными черными дырами. Раньше мы предполагали, что такие монстры живут только в центрах крупных галактик вроде нашей. Это меняет наше понимание того, как растут и развиваются маленькие галактики. Теперь мы можем изучать, как эта черная дыра влияет на звездообразование и динамику самого Магелланова Облака. Это все равно что обнаружить сердце у существа, которое считалось просто придатком.
2. Новый метод «взвешивания» невидимок. Мы разработали методику поиска черных дыр по „коридорам“ из выброшенных звезд. Это как если бы мы научились видеть невидимый предмет по теням, которые он отбрасывает, или по следам от выстрелов. Теперь этот метод можно применить к другим галактикам-спутникам. Возможно, нас ждет открытие целой популяции дотоле скрытых черных дыр.
3. Проверка теорий гравитации. Такая динамичная система, где одна черная дыра выбрасывает звезды, а другая их ловит (или не ловит), — идеальный полигон для проверки законов физики в экстремальных условиях. Мы можем наблюдать гравитационное взаимодействие в действии, в реальном времени (по космическим меркам), а не только в компьютерных симуляциях.

Любое фундаментальное знание рано или поздно находит применение. Изучение черных дыр подталкивает инженерию к созданию сверхточных приборов (вспомните ту же Gaia), развивает методы обработки колоссальных массивов данных (Big Data). А главное — это удовлетворяет нашу врожденную потребность в познании. Мы платим налоги не только для того, чтобы чинить дороги, но и чтобы знать, что там, за горизонтом. Открытие черной дыры «за углом» — это напоминание о том, что Вселенная полна сюрпризов и наше место в ней гораздо интереснее, чем кажется.

Главная проблема работы — это циркулярность аргументации. Исследователи построили модель, которая предсказала скопление звезд, если в Магеллановом Облаке есть черная дыра. Затем они нашли это скопление и объявили это доказательством существования дыры. Но их модель изначально опиралась на ряд параметров, в том числе на точную массу и орбиту самого Магелланова Облака, которые известны с большой погрешностью. Мы не видим саму черную дыру, мы не регистрируем ее аккреционное свечение. Мы видим лишь звезды, чьи траектории мы смоделировали.

Не исключено, что наблюдаемый кластер гиперскоростных звезд имеет другое происхождение. Например, мы до сих пор плохо понимаем динамику звездообразования в сложном гравитационном поле взаимодействующих галактик. Млечный Путь и Магелланово Облако находятся в процессе тесного сближения, и гравитационные возмущения от этого танца могли «выстрелить» этими звездами без участия какого-либо единого сверхмассивного центра. По сути, коллеги увидели корреляцию и объявили ее причинно-следственной связью. Пока мы не получим прямых наблюдений (например, рентгеновского излучения от падающего на дыру вещества), говорить об открытии преждевременно. Это красивая гипотеза, требующая гораздо более веских доказательств.

Ранее ученые выяснили, насколько большими могут быть черные дыры.