На відміну від типових подвійних, ця система складається з центральної чорної діри, що поглинає сусідню зорю, і другої, віддаленої зорі, яка обертається навколо неї кожні 70 000 років. Така незвичайна структура припускає, що чорна діра утворилася внаслідок прямого колапсу, а не вибуху наднової, кидаючи виклик домінуючим теоріям походження чорних дір і підкреслюючи потенціал для нових невідкритих потрійних систем.

Відкриття потрійної чорної діри

Багато відкритих досі чорних дір є частиною пари, яку називають бінарною системою. У цих парах чорна діра тісно обертається навколо іншого об’єкта, такого як зоря, щільна нейтронна зоря або навіть інша чорна діра. Інтенсивна гравітація чорної діри пов’язує їх разом, створюючи тісний орбітальний зв’язок.

Тепер вчені зробили дивовижне відкриття, яке розширює наше розуміння чорних дір, типів об’єктів, з якими вони можуть взаємодіяти, і того, як вони можуть утворюватися.

У новому дослідженні, опублікованому в журналі Nature 24 жовтня, фізики з Массачусетського технологічного інституту і Каліфорнійського технологічного інституту повідомляють, що вперше спостерігали «потрійну чорну діру». Ця унікальна система складається з центральної чорної діри, яка поглинає сусідню маленьку зірку, що обертається навколо чорної діри кожні 6,5 днів — подібно до відомих бінарних систем. Однак примітно, що друга, набагато віддаленіша зірка також обертається навколо чорної діри. За оцінками дослідників, цей далекий компаньйон обертається навколо чорної діри раз на 70 000 років.

Те, що чорна діра, схоже, гравітаційно утримує об’єкт на такій відстані, викликає питання про походження самої чорної діри. Вважається, що чорні діри утворюються внаслідок потужного вибуху вмираючої зорі — процесу, відомого як наднова, коли зоря вивільняє величезну кількість енергії та світла в останньому вибуху, перш ніж колапсує у невидиму чорну діру.

Наслідки м’якого процесу формування

Відкриття команди, однак, припускає, що якби нещодавно спостережувана чорна діра була результатом типової наднової, то енергія, яку вона вивільнила б перед колапсом, відкинула б будь-які слабко зв’язані об’єкти на її околицях. Друга, зовнішня зоря, не повинна була б все ще блукати навколо.

Натомість команда підозрює, що чорна діра утворилася внаслідок більш м’якого процесу «прямого колапсу», в якому зірка просто западає сама на себе, утворюючи чорну діру без останнього драматичного спалаху. Таке м’яке походження навряд чи порушило б будь-які слабко зв’язані далекі об’єкти.

Оскільки нова потрійна система включає дуже далеку зірку, це дозволяє припустити, що чорна діра в системі народилася внаслідок більш м’якого прямого колапсу. І хоча астрономи спостерігали більш бурхливі наднові протягом століть, команда каже, що нова потрійна система може бути першим доказом того, що чорна діра утворилася в результаті цього більш м’якого процесу.

«Ми вважаємо, що більшість чорних дір утворюються внаслідок потужних вибухів зірок, але це відкриття допомагає поставити це під сумнів», — говорить автор дослідження Кевін Бердж (Kevin Burdge), науковий співробітник Паппалардо на фізичному факультеті Массачусетського технологічного інституту (MIT). «Ця система надзвичайно цікава для еволюції чорних дір, і вона також ставить питання про те, чи існують ще потрійні».

Співавторами дослідження з Массачусетського технологічного інституту є Ерін Кара, Клод Канізарес, Діпто Чакрабарті, Анна Фребель, Сара Міллхолланд, Сол Раппапорт, Роб Сімкоу та Ендрю Вандербург, а також Карім Ель-Бадрі з Каліфорнійського технологічного інституту.

Дослідження утворення та еволюції чорних дір

Відкриття потрійної чорної діри відбулося майже випадково. Фізики знайшли її під час перегляду Aladin Lite, сховища астрономічних спостережень, зібраних з телескопів у космосі та по всьому світу. Астрономи можуть використовувати онлайн-інструмент для пошуку зображень однієї і тієї ж частини неба, зроблених різними телескопами, які налаштовані на різні довжини хвиль енергії і світла.

Команда шукала в галактиці Чумацький Шлях ознаки нових чорних дір. З цікавості Бердж переглянув зображення V404 Cygni — чорної діри на відстані близько 8000 світлових років від Землі, яка була одним з найперших об’єктів, що був підтверджений як чорна діра в 1992 році. Відтоді V404 Cygni стала однією з найбільш вивчених чорних дір і була задокументована у понад 1300 наукових працях. Однак, жодне з цих досліджень не повідомляло про те, що спостерігали Бердж і його колеги.

Розглядаючи оптичні зображення V404 Cygni, Бердж побачив те, що виглядало як дві світлові плями, напрочуд близько розташовані одна до одної. Перша пляма була тим, що інші визначили як чорну діру і внутрішню зорю, що обертається на близькій орбіті. Зірка знаходиться так близько, що вона скидає частину свого матеріалу на чорну діру і випромінює світло, яке Бердж міг бачити. Другий згусток світла, однак, був чимось, що вчені не досліджували до цього часу. Це друге світло, як визначив Бердж, найімовірніше, йшло від дуже далекої зірки.

«Той факт, що ми можемо бачити дві окремі зорі на такій великій відстані, насправді означає, що зорі мають бути дуже далеко одна від одної», — каже Бердж, який підрахував, що зовнішня зоря знаходиться на відстані 3500 астрономічних одиниць (а.о.) від чорної діри (1 а.о. — це відстань між Землею та Сонцем). Іншими словами, зовнішня зірка віддалена від чорної діри в 3500 разів більше, ніж Земля від Сонця. Це також дорівнює 100-кратній відстані між Плутоном і Сонцем.

Вивчення тандемного руху та походження системи

Питання, яке тоді спало на думку, полягало в тому, чи пов’язана зовнішня зоря з чорною дірою та її внутрішньою зіркою. Щоб відповісти на нього, дослідники звернулися до Gaia, супутника, який з 2014 року точно відстежує рухи всіх зірок у галактиці. Команда проаналізувала рухи внутрішньої та зовнішньої зірок за останні 10 років даних Gaia і виявила, що зірки рухалися точно в тандемі, порівняно з іншими сусідніми зірками. Вони підрахували, що ймовірність такого тандему становить приблизно один до 10 мільйонів.

«Це майже напевно не збіг чи випадковість, — каже Бердж. «Ми бачимо дві зірки, які рухаються одна за одною, тому що вони пов’язані цією слабкою гравітаційною ниткою. Отже, це має бути потрійна система».

Як же тоді могла утворитися ця система? Якби чорна діра виникла з типової наднової, потужний вибух давно відкинув би зовнішню зірку.

«Уявіть, що ви тягнете повітряного змія, але замість міцної нитки ви тягнете павутиння, — каже Бердж. «Якщо ви потягнете занадто сильно, павутина порветься, і ви втратите повітряного змія. Гравітація схожа на цю ледь зв’язану струну, яка дуже слабка, і якщо ви зробите щось драматичне з внутрішньою подвійною, ви втратите зовнішню зірку».

Результати моделювання та визначення віку системи

Однак, щоб по-справжньому перевірити цю ідею, Бердж провів симуляції, щоб побачити, як така потрійна система могла еволюціонувати і зберегти зовнішню зорю.

На початку кожної симуляції він вводив три зорі (третьою була чорна діра, до того, як вона стала чорною дірою). Потім він провів десятки тисяч симуляцій, кожна з яких мала дещо інший сценарій того, як третя зірка могла стати чорною дірою, і як це вплинуло на рух двох інших зірок. Наприклад, він моделював наднову, змінюючи кількість і напрямок енергії, яку вона випромінювала. Він також моделював сценарії прямого колапсу, в якому третя зірка просто западала сама на себе, утворюючи чорну діру, не випромінюючи жодної енергії.

«Переважна більшість симуляцій показує, що найпростіший спосіб змусити цю потрійну роботу працювати — це прямий колапс», — говорить Бердж.

Крім того, що зовнішня зірка дала підказки про походження чорної діри, вона також виявила вік системи. Фізики помітили, що зовнішня зірка перебуває в процесі перетворення на червоного гіганта — фаза, яка відбувається наприкінці життя зірки. На основі цього зоряного переходу команда визначила, що вік зовнішньої зірки становить близько 4 мільярдів років. Враховуючи, що сусідні зірки народжуються приблизно в той самий час, команда робить висновок, що вік потрійної чорної діри також становить 4 мільярди років.

«Ми ніколи раніше не могли зробити цього для старої чорної діри, — каже Бердж. «Тепер ми знаємо, що V404 Cygni є частиною потрійної, вона могла утворитися в результаті прямого колапсу, і вона сформувалася близько 4 мільярдів років тому, завдяки цьому відкриттю».