Астрономы из международной группы зарегистрировали кратковременный, но очень яркий выброс энергии, исходящий из Большого Магелланова Облака, являющегося спутником нашей галактики Млечный Путь. Согласно результатам анализа, источником вспышки мог оказаться сверхкомпактный объект, чья масса приблизительно равна трем массам Луны. Ученые полагают, что данный объект является одним из наиболее вероятных кандидатов на роль первичной чёрной дыры – гипотетического образования, которое могло возникнуть на заре формирования Вселенной.
Наблюдения проводились в декабре 2019 года в течение пяти ночей. Для этого использовалась камера DECam, расположенная на четырёхметровом телескопе Blanco в обсерватории Серро-Тололо, что находится в Чили. Исследования были направлены на изучение участка Большого Магелланова Облака с целью выявления событий гравитационного микролинзирования – кратковременного увеличения яркости звезды, которое возникает вследствие прохождения массивного объекта между наблюдателем и далёкой звездой.
В ходе наблюдений астрономы зарегистрировали явление, известное как Phoebe. Яркость звезды, находящейся на расстоянии около 50 тысяч световых лет от Земли, постепенно и равномерно возросла в течение примерно часа, после чего вернулась к исходному значению. Подобных повторений в последующие дни не наблюдалось. Такой паттерн изменения светимости соответствует эффекту гравитационного микролинзирования, при котором невидимый, но плотный объект выступает в роли космической линзы.
Гравитационное микролинзирование проявляется, когда крупный объект, такой как планета, звезда или чёрная дыра, оказывается на линии прямой видимости к более далёкой звезде. Гравитационное поле массивного объекта искривляет траекторию света, идущего от фоновой звезды, что приводит к кратковременному увеличению её яркости. Длительность этого явления зависит от массы линзирующего объекта: чем меньше масса, тем быстрее завершается вспышка. Поскольку наблюдение Phoebe продолжалось всего около 60 минут, учёные сразу предположили, что речь идёт о крайне лёгком объекте.
Внимание исследователей привлекло предположение о том, что Phoebe может оказаться первичной чёрной дырой. В отличие от обычных чёрных дыр, формирующихся в результате гравитационного коллапса массивных звёзд, первичные чёрные дыры, как считается, возникли в период космической инфляции — в первые мгновения после Большого взрыва. Эти объекты рассматриваются как возможные носители тёмной материи — таинственной невидимой субстанции, составляющей значительную часть массы Вселенной.
В рамках исследования авторы разработали статистическую модель для оценки вероятности различных гипотез о происхождении объекта. Согласно первой из них, Phoebe может являться объектом, расположенным внутри Млечного Пути, таким как, к примеру, планета, не связанная гравитацией с каким-либо небесным телом, или маломассивная звезда. Второй вариант предполагает, что объект находится в Большом Магеллановом Облаке. Третья гипотеза утверждает, что Phoebe является частью гало тёмной материи, окружающей оба галактики. Проведённые вычисления продемонстрировали, что вероятность связи объекта с тёмной материей в сто тысяч раз превышает вероятность того, что это обычная звезда или планета.
Используя данные световой кривой, полученной камерой DECam, ученые определили массу и расстояние до объекта. Если Phoebe действительно располагается в гало тёмной материи Млечного Пути, его масса оценивается в 0,026 массы Земли, что сопоставимо с тремя массами Луны. В этом случае объект находится примерно в 18 200 световых лет от Земли, значительно за пределами основного звёздного диска нашей галактики.
В случае, если Phoebe представляет собой свободно плавающую планету в пределах Млечного Пути, её масса, вероятно, составит около 0,022 массы Земли, а её удаленность от нас — приблизительно 565 световых лет. Если же этот объект находится в Большом Магеллановом Облаке, его масса может быть равна 0,1 массы Земли. Однако исследователи акцентируют внимание на том, что наиболее вероятным представляется гипотеза о его происхождении как первичной чёрной дыры.
По словам исследователей, Phoebe – не единственный кандидат такого рода. В статье указывается, что недавние наблюдения, сделанные японским телескопом Subaru на Гавайях, выявили 12 аналогичных объектов в направлении галактики Андромеды. Их массы также сопоставимы с массой Луны. Это может говорить о наличии обширной группы маломассивных чёрных дыр, связанных с распределением тёмной материи.
Учёные полагают, что доказательство природы объекта Phebe стало бы значимым прорывом в космологии. В случае, если данный объект окажется первичной чёрной дырой, он мог возникнуть ещё до начала нуклеосинтеза Большого взрыва, то есть в первые моменты существования Вселенной. Подобные объекты способны предоставить информацию для понимания процессов космической инфляции и природы тёмной материи.
До того, как сделать эти заключения, специалисты провели детальную проверку альтернативных версий возникновения вспышки. Исследователи рассматривали возможность того, что Phoebe может быть переменной звездой, представлять собой двойную звездную систему, являться вспышкой звезды или быть результатом смещения света от близлежащих объектов. В целях проверки световые кривые Phoebe были сопоставлены с данными о 28 подтвержденных вспышках звёзд, полученными космическими телескопами TESS и Kepler.
Согласно результатам сравнения, структура и длительность события Феби демонстрируют значительные отличия от вспышек на звёздах. Кроме того, исследователи применили программный комплекс AstroPhot для проведения независимого анализа изображения и убедились, что повышение яркости не связано с близко расположенной звездой, на которую не была проведена коррекция.
Авторы также отмечают существенное ограничение, свойственное методу гравитационного микролинзирования: объект, выполняющий роль линзы, остается невидимым. Специалисты могут фиксировать лишь воздействие этого объекта на свет удаленной звезды. В связи с этим, на данном этапе невозможно с полной уверенностью установить, представляет ли Phoebe первичную черную дыру, свободно перемещающуюся планету или некий иной необычный объект, такой как аксионная звезда.
Учёные утверждают, что для твёрдого различия между популяциями чёрных дыр и планетарными объектами необходимо выявление значительного количества подобных явлений в различных частях небесной сферы. В связи с этим, обнаружение Phoebe и других кандидатов, зафиксированных телескопом Subaru, является весомым доводом в пользу организации дополнительных наблюдений с высокой частотой с использованием перспективных обсерваторий Nancy Grace Roman и Vera C. Rubin.
В настоящее время Phoebe представляется наиболее подходящим объектом для роли первичной чёрной дыры с массой Луны, расположенной в направлении Большого Магелланова Облака. Эта вспышка света, длившаяся час, потенциально может открыть новую эру в исследовании невидимой Вселенной.