Значительная часть черных дыр находится в двойных системах, включающих нейтронные звезды или другие черные дыры. Это вполне закономерно, поскольку черные дыры формируются из массивных звезд после взрывов сверхновых, которые отбрасывают менее массивные объекты-компаньоны. В настоящее время исследователи обнаружили тройную систему, состоящую из двух звезд и черной дыры, возникшую без взрывной стадии сверхновой.
Взрыв массивной звезды в сверхновую сопровождается гравитационным коллапсом в нейтронную звезду или черную дыру, в результате чего высвобождается колоссальное количество энергии и вещества. Если бы этот процесс проходил идеально симметрично, остаток звезды просто сжался бы. Однако на практике выброс обычно придает объекту значительный начальный импульс. С одной стороны, он способствует формированию компактного объекта. С другой – из-за этого импульса объект может покинуть звездную систему. Как минимум, это приводит к перестройке орбит его сопутствующих тел.
По результатам теоретических вычислений, черные дыры звездной массы способны формироваться без взрыва сверхновой и без значительного импульса. Чтобы определить минимальный необходимый импульс для образования черной дыры, астрономы исследуют системы, содержащие черные дыры.
В частности, значительный интерес представляют системы, в которых компактный объект аккрецирует вещество с соседней звезды, — это рентгеновские двойные. Анализ таких систем показал, что мощные импульсы, превышающие 100 километров в секунду, возникают нечасто. Кроме того, ученые обнаружили систему, в которой черная дыра сформировалась, вероятно, в результате прямого гравитационного коллапса.
V404 Лебедя — звездная система, находящаяся на расстоянии около восьми тысяч световых лет от нашей планеты. В ней присутствует черная дыра, подтвержденная как одна из первых в истории и зафиксированная еще в 1992 году. В связи с этим, она является одной из наиболее исследованных. Неудивительно, что новое открытие кажется столь неожиданным.
В ходе поиска новых черных дыр ученые обратили внимание на снимок V404 Лебедя. Они заметили, что рядом с системой V404 Лебедя находится еще один яркий объект. Проанализировав скорость и траекторию движения этой звезды, используя данные каталога Gaia, исследователи установили, что она входит в систему V404 Лебедя. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Анализ показал, что V404 Лебедя представляет собой тройную звездную систему. В её центре находится плотная двойная система, состоящая из черной дыры и звезды, находящейся в процессе поглощения. На расстоянии 3,5 тысячи астрономических единиц от этой центральной пары вращается дополнительная звезда. Центральные объекты находятся на удалении 0,14 астрономической единицы друг от друга – это вдвое меньше, чем среднее расстояние от Меркурия до Солнца. Третий компонент системы расположен на расстоянии, в 25 тысяч раз превышающем расстояние между центральной парой, или в 90 раз дальше, чем Плутон от Солнца.
Для создания всестороннего представления системы, в особенности «внешней» звезды, исследователи объединили данные, полученные с использованием VLT, обзора Gaia, системы телескопов Pan-Starrs, обсерватории «Джемини», обсерватории Кека и космического телескопа «Хаббл». Благодаря этому астрономы определили, что возраст третьего компонента и, соответственно, всей системы варьируется от трех до пяти миллиардов лет. «Внешняя» звезда обладает массой, превышающей солнечную в 1,2 раза, и радиусом, в 1,85 раза большим, чем у Солнца. При этом ее наличие накладывает определенные ограничения на историю активности черной дыры.
«Представьте себе, что вы запускаете воздушного змея, но вместо крепкой лески у вас тонкая паутина. Если потянуть слишком сильно, она порвется, и вы потеряете змея. Гравитация действует подобно этой слабой нити. Любое резкое действие, направленное на внутреннюю двойную, приведет к потере внешней звезды», — объяснил один из авторов нового исследования Кевин Бердж из Массачусетского технологического университета (США).
Компьютерное моделирование продемонстрировало, что система способна сохранить устойчивость, даже если черная дыра возникает в результате коллапса без взрыва сверхновой и без дополнительного импульса. Это не согласуется с современными представлениями, согласно которым подобный сценарий реализуется только для объектов с чрезвычайно большой массой. В данной системе же сформировалась черная дыра с массой, приблизительно равной девяти солнечных масс, что ниже установленного теоретического предела.
Если бы V404 Лебедя находился на расстоянии в полтора раза больше, Gaia не смогла бы зафиксировать движение третьего компонента системы. Если бы его масса превышала исходную на 10 процентов или была бы меньше на 20 процентов, то он оказался бы недостаточно ярким для регистрации приборами Gaia .
Вероятно, подобные системы распространены, и у множества черных дыр звездной массы имеются компаньоны, однако наши приборы пока не способны их обнаружить. Как подчеркивают авторы недавнего исследования, у значительной части рентгеновских двойных систем, содержащих черную дыру, могут присутствовать подобные объекты. Для их выявления требуется более детальное изучение.