Черные дыры часто представляют как космических чудовищ — объекты с такой массой и гравитацией, что от них не может сбежать даже свет. Черные дыры звездной массы могут быть тяжелее Солнца в несколько или десятки раз, а сверхмассивные, скрывающиеся в центрах галактик, достигают миллионов и даже миллиардов солнечных масс.
Но если черные дыры бывают чудовищно большими, возникает обратный вопрос: насколько маленькими они могут быть?
И этот вопрос сложнее, чем кажется. Долгое время астрономы уверенно находили нейтронные звезды массой примерно до двух солнечных масс и черные дыры массой от пяти солнечных масс и выше. А вот промежуток между ними выглядел подозрительно пустым. Его стали называть «массовым разрывом».
Содержимое
Почему маленькие черные дыры трудно найти
Черная дыра звездной массы рождается, когда массивная звезда завершает жизненный цикл, а ее ядро коллапсирует под действием собственной гравитации. Но итоговая масса остатка зависит не только от начальной массы звезды, а еще от потери вещества, взрыва сверхновой, состава звезды и ее взаимодействия с соседними объектами.
Именно поэтому между самыми тяжелыми нейтронными звездами и самыми легкими черными дырами долго оставалась серая зона. Если объект слишком массивен для нейтронной звезды, но слишком легок для типичной черной дыры звездной массы, то что это такое?
В 2019 году астрономы сообщили о кандидате в маломассивные черные дыры массой около 3,3 массы Солнца. Его не увидели напрямую — черные дыры сами по себе не светятся. Объект нашли по тому, как он гравитационно воздействовал на звезду-компаньон.
Если интерпретация данных верна, это одна из самых маломассивных черных дыр, когда-либо найденных. И она как раз попадает в ту самую область «массового разрыва».
Что показали гравитационные волны
Еще один важный удар по старым представлениям нанесли детекторы гравитационных волн LIGO и Virgo. В августе 2019 года они зарегистрировали событие GW190814: слияние черной дыры массой около 23 солнечных масс с загадочным компактным объектом массой около 2,6 массы Солнца.
Именно этот второй объект оказался особенно важен. Его масса слишком велика для обычной нейтронной звезды, но необычно мала для черной дыры. Ученые до сих пор обсуждают, чем он был на самом деле: самой тяжелой нейтронной звездой или одной из самых легких черных дыр.
В любом случае такие находки показывают: переход между нейтронными звездами и черными дырами устроен сложнее, чем предполагали прежние модели. Между ними может быть больше пограничных объектов, чем казалось раньше.
Граница между нейтронной звездой и черной дырой
Такие объекты важны потому, что бьют прямо по одному из главных вопросов звездной эволюции: где заканчиваются нейтронные звезды и начинаются черные дыры.
Если черные дыры массой около трех солнечных масс действительно существуют, значит, некоторые звездные остатки могут коллапсировать в черные дыры при меньшей массе, чем допускали прежние модели звездной эволюции. Или такие объекты могут возникать в результате более сложных сценариев: например, после слияния нейтронных звезд или в тесных звездных системах, где объекты обмениваются веществом и меняют эволюцию друг друга.
Это также важно для гравитационно-волновой астрономии. LIGO и Virgo позволяют находить объекты, недоступные обычным телескопам. Им не нужен свет — они ловят рябь пространства-времени, возникающую при столкновении компактных объектов.
Благодаря этому астрономы получают доступ к событиям, которые происходят в далеких галактиках и остаются невидимыми в обычном электромагнитном диапазоне.
Насколько маленькая такая черная дыра
Черная дыра массой 3,3 солнечной массы все равно огромна по земным меркам. Масса Солнца составляет примерно 2 × 1030 килограммов, значит такой объект имел бы массу около 6,6 × 1030 килограммов.
Для сравнения: Земля легче Солнца примерно в 333 000 раз. То есть даже «маленькая» черная дыра тяжелее нашей планеты более чем в миллион раз.
Но по меркам черных дыр это действительно крошечный объект. Сверхмассивная черная дыра Стрелец A* в центре Млечного Пути имеет массу более четырех миллионов Солнц. На ее фоне черная дыра в несколько солнечных масс выглядит почти песчинкой.
Поиск продолжается
Астрономы продолжают искать такие объекты. Чем чувствительнее становятся обзоры неба и детекторы гравитационных волн, тем выше шанс найти новые черные дыры в области массового разрыва.
Возможно, выяснится, что разрыва как такового вообще нет. Может быть, он существовал не в природе, а в наших методах наблюдения: мы просто плохо видели объекты такого типа.
Маленькие черные дыры не отменяют старую картину, но делают ее сложнее. Они показывают, что смерть звезды — не всегда простой выбор между нейтронной звездой и привычной черной дырой. Иногда именно такие пограничные объекты заставляют пересматривать модели звездной эволюции.
Часто задаваемые вопросы
Что мешает сразу сказать: это черная дыра или нейтронная звезда?
Компактные объекты обычно не видны напрямую, поэтому ученым приходится судить о них по косвенным признакам: массе, движению соседней звезды, гравитационным волнам или последствиям слияния. Если объект попадает в пограничную область масс, одной только массы может быть недостаточно. Нужны дополнительные данные, а их часто просто нет.
Как маленькая черная дыра может появиться?
Один вариант — коллапс ядра массивной звезды после вспышки сверхновой. Другой — слияние нейтронных звезд, после которого общий остаток становится слишком массивным и коллапсирует в черную дыру.
Есть и более сложные сценарии: тесные двойные системы, обмен веществом между звездами, повторные слияния компактных объектов. Именно поэтому маломассивные черные дыры так интересны: они помогают понять, какие сценарии звездной эволюции мы могли упускать из виду.
Могут ли существовать черные дыры еще меньшей массы?
Теоретически да. Первичные черные дыры, если они возникали в ранней Вселенной, могли иметь массу намного меньше черных дыр звездной массы. Но их существование пока не доказано.
Для обычных черных дыр, рождающихся из звезд, масса в несколько солнечных масс находится рядом с нижней границей. Ниже начинается область, где объект скорее должен быть нейтронной звездой — если только природа не использовала какой-то необычный сценарий.
