Млечный Путь скрывает 170 миллионов чёрных дыр: новая модель изменила представления о галактике

В нашей галактике может существовать около 170 миллионов чёрных дыр звёздной массы, и большинство из них остаются невидимыми для наших телескопов. Это не просто абстрактная цифра, а результат сложного моделирования, которое впервые учитывает эволюцию двойных звёздных систем и динамику галактики в целом. Такая оценка почти вдвое превышает предыдущие предположения и заставляет пересмотреть наши представления о том, как распределены эти загадочные объекты и как они влияют на окружающее пространство. Исследование, опубликованное в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, представляет собой наиболее точный на сегодняшний день расчёт скрытой популяции чёрных дыр в Млечном Пути, открывая новые горизонты для наблюдательной астрономии.

Чёрные дыры звёздной массы образуются, когда массивные звёзды, в десятки раз тяжелее Солнца, исчерпывают своё ядерное топливо и коллапсируют под действием собственной гравитации. Взрыв сверхновой, который сопровождает этот процесс, разбрасывает внешние слои звезды в космос, а ядро сжимается в точку с бесконечной плотностью. Однако подавляющее большинство таких объектов не проявляют себя никак: они не поглощают вещество, не излучают рентгеновские лучи и не имеют видимых компаньонов. Обнаружить их можно лишь по гравитационному воздействию на соседние звёзды или через редкие события микролинзирования, когда чёрная дыра проходит перед далёкой звездой и искривляет её свет. Именно поэтому до сих пор астрономы могли лишь приблизительно оценивать их количество, и новая модель стала настоящим прорывом.

Как учёные пришли к цифре 170 миллионов

Международная группа астрономов под руководством Оливера Элвиса из Калифорнийского университета в Санта-Круз разработала модель, которая объединяет два ключевых подхода: моделирование звёздной эволюции и динамическое моделирование галактики. Первый подход позволяет понять, какие именно звёзды превращаются в чёрные дыры, с какой массой и скоростью они рождаются. Второй — как эти объекты движутся в гравитационном поле Млечного Пути после своего образования. Учёные воспроизвели жизненный цикл миллиардов звёзд, начиная от их рождения в гигантских газовых облаках и заканчивая коллапсом в чёрную дыру или нейтронную звезду. Они учли такие важные факторы, как металличность звёзд, скорость потери массы на поздних стадиях эволюции и поведение двойных систем, где две звезды обращаются вокруг общего центра масс.

Особое внимание исследователи уделили двойным системам, поскольку значительная часть массивных звёзд рождается именно в парах. В таких системах эволюция может пойти по-разному: одна звезда может стать чёрной дырой, а другая остаться обычной звездой, но её орбита существенно изменится. В некоторых случаях чёрная дыра и звезда образуют рентгеновскую двойную систему, которую мы можем наблюдать. Однако, как показала модель, лишь около 40% чёрных дыр сохраняют компаньона, а остальные 60% — это изолированные объекты, которые потеряли свою пару либо из-за асимметричного взрыва сверхновой, либо из-за динамических взаимодействий в плотных звёздных скоплениях. В результате расчётов получилось, что за 13,6 миллиардов лет существования галактики в ней образовалось примерно 170 миллионов чёрных дыр звёздной массы, что составляет около 1,7% от общего числа звёзд, которое оценивается в 100–400 миллиардов.

Почему большинство чёрных дыр невидимы

Чёрная дыра сама по себе не излучает свет, и увидеть её можно только по эффектам на окружающей материи. Когда чёрная дыра активно поглощает газ, он разогревается до миллионов градусов и испускает рентгеновское излучение — такие объекты мы называем активными. Но в Млечном Пути известно всего несколько десятков таких источников. Остальные чёрные дыры либо не имеют рядом источника газа, либо вещество перетекает на них слишком медленно, чтобы вызвать яркое свечение. Кроме того, многие чёрные дыры, как выяснили учёные, далеко улетели от места своего рождения. При взрыве сверхновой звезда получает асимметричный «удар», который придаёт ей скорость до сотен километров в секунду, поэтому чёрные дыры рассеиваются по всей галактике, и их распределение сильно отличается от распределения звёзд.

Какие методы позволяют обнаружить скрытые чёрные дыры?

Для изолированной чёрной дыры, которая не поглощает газ, единственный способ обнаружения — гравитационное микролинзирование. Когда такая дыра проходит на фоне далёкой звезды, её гравитация искривляет свет, вызывая кратковременное усиление яркости. Такие события крайне редки и требуют непрерывного наблюдения миллионов звёзд, но именно их ищут обзоры OGLE, MOA и другие. Другой метод — поиск чёрных дыр в двойных системах по их влиянию на орбиты звёзд. Если у звезды есть невидимый компаньон с массой более трёх солнечных, это почти наверняка чёрная дыра. Астрономы уже нашли несколько таких «молчаливых» чёрных дыр, например, в системе V404 Cygni, но таких открытий пока немного, потому что для этого нужно долго наблюдать за спектром звезды и замечать периодические смещения линий, вызванные гравитацией невидимого объекта.

Новая модель, по словам авторов, позволяет сузить область поиска. Она предсказывает, как распределены чёрные дыры по массе, скоростям и пространственному положению. Например, модель показывает, что чёрные дыры с массой около 10–20 солнечных должны быть наиболее распространены, а их скорости могут достигать 100–200 километров в секунду. Это даёт наблюдателям чёткие ориентиры: если мы видим звезду, которая движется слишком быстро для обычной звезды, но не имеет видимого компаньона, возможно, рядом с ней находится чёрная дыра. Кроме того, модель предсказывает, что в ближайших окрестностях Солнца, в радиусе одного килопарсека, должно быть около тысячи чёрных дыр, но большинство из них — изолированные и неактивные, поэтому мы их не видим.

Что это значит для астрономии

Оценка в 170 миллионов чёрных дыр — это не просто абстрактное число, она имеет прямое отношение к нескольким ключевым вопросам астрофизики. Во-первых, она позволяет уточнить темпы формирования чёрных дыр в галактике и сравнить их с частотой вспышек сверхновых. Во-вторых, это важно для понимания гравитационно-волновых событий: слияния чёрных дыр, которые регистрируют детекторы LIGO и Virgo, происходят именно в такой популяции. Зная, сколько чёрных дыр в галактике и как они распределены, мы можем лучше предсказывать частоту слияний и их параметры. В-третьих, модель помогает объяснить давний парадокс: почему мы видим так мало чёрных дыр, хотя они должны быть многочисленны. Раньше оценки колебались от 10 до 100 миллионов, но новая работа сужает диапазон и даёт конкретные предсказания, которые можно проверить наблюдениями.

Для астрономов-наблюдателей это руководство к действию. Модель указывает, где искать новые чёрные дыры: в направлении галактического центра, где плотность звёзд выше, а также в пределах диска галактики. Особенно перспективным считается метод микролинзирования, который используют обзоры OGLE, MOA и другие. Сейчас эти проекты наблюдают миллионы звёзд в направлении галактического балджа, и они уже нашли несколько кандидатов в чёрные дыры. Новая модель поможет отсеять ложные кандидаты и сфокусироваться на самых вероятных. Для теоретиков модель ценна тем, что она учитывает эволюцию двойных систем, что часто игнорируется в более простых оценках, и это делает предсказания более реалистичными. Кроме того, модель может быть применена к другим галактикам, например, к карликовым галактикам-спутникам Млечного Пути, где чёрные дыры могут быть ещё более многочисленными относительно числа звёзд.

Что будет дальше: перспективы поиска чёрных дыр

Авторы планируют продолжить работу, включив в модель нейтронные звёзды и белые карлики, чтобы получить полную картину компактных объектов в галактике. Они также надеются, что будущие обзоры, такие как спутник ESA Gaia и телескоп Nancy Grace Roman, позволят обнаружить тысячи новых чёрных дыр с помощью астрометрии и микролинзирования. Gaia, в частности, уже вносит вклад в поиск чёрных дыр в двойных системах, измеряя точные орбитальные движения звёзд. С его помощью астрономы уже нашли несколько кандидатов, которые ранее оставались незамеченными. Телескоп Nancy Grace Roman, запуск которого запланирован на середину 2020-х годов, будет обладать высокой чувствительностью к микролинзированию и сможет обнаружить множество изолированных чёрных дыр.

В ближайшие годы мы, вероятно, узнаем о многих новых чёрных дырах в нашей галактике. Это не только расширит наши знания о звёздной эволюции, но и приблизит нас к пониманию того, как чёрные дыры влияют на формирование галактик в целом. Возможно, мы даже обнаружим чёрные дыры, которые находятся совсем рядом с Солнечной системой, и сможем изучить их свойства напрямую. Каждое новое открытие будет проверять предсказания модели, и если они подтвердятся, это станет важным шагом в понимании самых загадочных объектов Вселенной. Пока же астрономы продолжают всматриваться в ночное небо, зная, что вокруг нас скрываются миллионы невидимых гигантов, ожидающих своего часа.