С помощью космического телескопа «Хаббл» астрономы обнаружили самую близкую к Земле массивную чёрную дыру, которая имеет массу около 8200 солнц. Она значительно более массивная, чем чёрные дыры звёздной массы (от 5 до 100 масс Солнца), и гораздо менее массивная, чем сверхмассивные чёрные дыры, масса которых составляет от миллионов до миллиардов масс Солнца. Она может стать примером неуловимых «чёрной дыр средней массы», недостающим звеном в понимании связи между чёрными дырами звёздной массы и сверхмассивными чёрными дырами .
Недавно обнаруженная чёрная дыра в скоплении из примерно десяти миллионов звёзд под названием Омега Центавра (Omega Centauri, NGC 5139), которое находится примерно в 18 000 световых годах от Земли.
Эта чёрная дыра, по-видимому, остановила свой рост, что подтверждает идею о том, что Омега Центавра является ядром небольшой галактики, чья эволюция прервалась, когда Млечный Путь поглотил её. Если бы это событие не произошло, то чёрная дыра могла бы вырасти до сверхмассивной чёрной дыры, как Стрелец A* (Sgr A*) во Млечном Пути, масса которой в 4,3 миллиона раз больше массы Солнца, и которая находится на расстоянии 27 000 световых лет от Земли.
Учёные давно знают, что не все чёрные дыры образовывались по одинаковым сценариям. Чёрные дыры звёздной массы образуются в результате коллапса звёзд, масса которых по меньшей мере в восемь раз превышает массу Солнца. А сверхмассивные чёрные дыры должны иметь иное происхождение потому, что ни одна звезда не является достаточно массивной, чтобы коллапсировать и оставить остаток в миллионы раз массивнее Солнца.
Поэтому учёные предполагают, что сверхмассивные чёрные дыры рождаются и растут вследствие цепочек слияний всё более и более крупных чёрных дыр, что подтверждается обнаружением «ряби» гравитационных волн, исходящими от слияний чёрных дыр. Этот процесс слияния и роста чёрных дыр в сочетании с огромным разрывом в массе между чёрными дырами звёздной массы и сверхмассивными чёрными дырами предполагает, что должна существовать популяция чёрных дыр среднего размера. Однако чёрные дыры средней массы с массой от нескольких сотен до нескольких тысяч солнечных масс, словно избегают обнаружения.
Чёрные дыры можно обнаружить в том случае, если они либо окружены материей, которой «питаются», которая излучает при нагревании, либо «питаются» звездой в «событии приливного разрушения» (tidal disruption event, TDE). Промежуточные же чёрные дыры, такие как в Омега Центавра, не окружены большим количеством материи. Это означает, что астрономам приходится прибегать к другим способам обнаружения таких чёрных дыр. Например, они наблюдают гравитационные эффекты, которые эти объекты оказывают, например, на звёзды, которые вращаются вокруг них. Команда нового открытия использовала именно этот метод.
Охота за этой чёрной дырой началась в 2019 году, когда Надин Ноймайер из Института астрономии Макса Планка (MPIA) и Анил Сет из Университета Юты разработали исследовательский проект, призванный улучшить понимание истории формирования самого скопления. В частности, исследователи и их соавтор Максимилиан Хеберле, аспирант MPIA, хотели обнаружить быстро движущиеся звёзды, которые доказали бы, что в этом скоплении есть массивная, плотная или компактная чёрная дыра. Похожий метод использовался для определения массы и размера Sgr A* — посредством наблюдения быстро движущейся популяции звёзд в центре Млечного Пути.
Хеберле и его команда использовали более 500 снимков этого звёздного скопления, сделанных «Хабблом», для создания базы данных о движениях звёзд в Омега Центавра и измерив скорости около 1,4 миллиона звёзд. Этот повторяющийся обзор Омега Центавра, который «Хаббл» делал прежде всего для калибровки инструментов, стал идеальным набором данных для целей команды.
«Поиск быстродвижущихся звёзд и документирование их движения были "поиском иголки в стоге сена"», — сказал Хеберле. Но в итоге команда обнаружила не одну, а семь «звёзд-иголок в стоге сена», все из которых двигались с большой скоростью в небольшой области в центре Омега Центавра.
Высокая скорость этих звёзд вызвана концентрированной массой поблизости. Если бы команда обнаружила только одну быструю звезду, то было бы невозможно определить, обусловлена ли её скорость близким массивным объектом или эта звезда — «убегающая», чья скорость не обусловлена большой массой поблизости.
Измерения выявили некую массу, эквивалентную 8200 солнц, в то время как изучение этого региона не выявило никаких объектов, похожих на звёзды. Это именно то, чего можно было бы ожидать, если бы в этом регионе, который, по определению команды, имел ширину в «световые месяцы», находилась чёрная дыра.
Тот факт, что наша галактика достаточно «созрела», чтобы вырастить сверхмассивную чёрную дыру в центре, означает, что она, вероятно, переросла стадию, когда её «населяло» множество чёрных дыр промежуточной массы.
«Предыдущие исследования оставляли открытым вопрос: где же находятся высокоскоростные звёзды? Теперь у нас есть ответ на этот вопрос и подтверждение того, что Омега Центавра содержит чёрную дыру средней массы», — сказал Хэберле.
Открытие не меняет статуса Sgr A* как ближайшей к Земле сверхмассивной чёрной дыры или статуса Gaia BH1 как ближайшей к Земле чёрной дыры звездной массы, но это даёт некоторую уверенность в том, что учёные находятся на правильном пути, в догадках о том, как наша центральная чёрная дыра стала «космическим титаном».