Кулясте скупчення Омега Центавра десятиліттями інтригувало астрономів. Воно містить близько 10 мільйонів гравітаційно звʼязаних зір, і за розрахунками там мало б ховатися приблизно 10 000 чорних дір зоряної маси — залишків зір, що завершили життя вибухом. Проте жодну з них довго не вдавалося виявити напряму.

Ситуація змінилася після аналізу архівних знімків телескопа Hubble у поєднанні зі свіжими спостереженнями James Webb. Команда під керівництвом Метью Вітакера з Університету Юти знайшла зорю, яка обертається навколо невидимого масивного тіла. Результати опубліковані в журналі The Astrophysical Journal Letters.

Чому попередні методи не спрацювали

Раніше пошуки чорних дір в Омега Центаврі спиралися на метод радіальних швидкостей (вимірювання зміщення спектральних ліній зорі) або на пошук рентгенівського й радіовипромінювання від речовини, що падає на чорну діру. Обидва підходи не дали результату для зоряних чорних дір скупчення.

Цього разу дослідники обрали астрометрію — вимірювання дуже малих зміщень положення зорі на небі протягом років. Метод вимагає надзвичайної точності: команда відстежувала рух зорі з точністю до частки пікселя на детекторах Hubble і Webb. Для цього знадобилося понад 20 років архівних даних Hubble, з 2002 по 2023 рік, доповнених інфрачервоними спостереженнями Webb для підвищення точності вимірювань.

oMEGACat BH-2: маса менша за очікування

Знайдений обʼєкт отримав назву oMEGACat BH-2. Він розташований приблизно за 18 000 світлових років від Землі, у щільному середовищі скупчення. Раніше інша група дослідників припускала, що невидимим компаньйоном зорі може бути нейтронна зоря.

Нові дані це спростували. Видима зоря має масу 0,78 маси Сонця, а її невидимий супутник — 4,46 маси Сонця. Це занадто багато для нейтронної зорі, тож єдиним поясненням лишається чорна діра.

Водночас маса чорної діри виявилася нижчою, ніж очікувалося для середовища, бідного на важкі елементи, яким є Омега Центавра.

While we already knew that the star was 0.78 solar masses, we can now calculate the black hole's mass, which is 4.46 solar masses and therefore too heavy to be a neutron star. However, its mass is much lower than would be expected in a metal-poor environment like Omega Centauri. This is surprising and exciting.Anil Seth, University of Utah

За словами дослідника, це означає, що навіть зоря з малим вмістом важких елементів здатна утворити подібну чорну діру, а механізм цього процесу ще потрібно зʼясувати.

Найдовша орбіта серед відомих подвійних систем

Завдяки понад двадцятирічним спостереженням команда простежила рух видимої зорі, зокрема момент найближчого підходу до чорної діри, коли вона рухалася найшвидше. Виявилося, що зоря обертається навколо oMEGACat BH-2 раз на 94 роки — це найдовший орбітальний період серед усіх відомих подвійних систем із чорною дірою.

Такий тривалий період підказує й імовірне походження пари. Найвірогідніше, вона утворилася динамічно: зоря та чорна діра виникли не разом, а зустрілися пізніше у щільному середовищі скупчення.

Розрахунки показують, що подібна система проіснує менш ніж мільярд років, перш ніж її розірвуть зустрічі з іншими зорями скупчення. Це набагато менше за вік самої Омега Центаври, що оцінюють приблизно у 12 мільярдів років.

Що це дає для розуміння гравітаційних хвиль

Розуміння того, як формуються чорні діри в кулястих скупченнях і як вони утворюють подвійні системи, важливе для інтерпретації подій злиття чорних дір, що породжують гравітаційні хвилі. Саме такі щільні середовища, як Омега Центавра, вважають одним з основних місць, де подібні пари зрештою зливаються.

Дослідники планують продовжити пошук аналогічних систем в інших скупченнях за допомогою Hubble і Webb. Особливі сподівання повʼязані з майбутнім телескопом Nancy Grace Roman Space Telescope, який зможе регулярно знімати густонаселені зорями ділянки, зокрема центр Галактики, з роздільною здатністю рівня Hubble, але значно ширшим полем зору. Регулярність таких спостережень має допомогти знаходити нові подвійні системи з чорними дірами.