Черната дупка, която не спира да изненадва астрономите

Cygnus X-1 е един от най-интересните обекти, познати на астрономите. Открит през вече далечната 1964 г., той веднага привлича вниманието на учените по цял свят с голямото количество рентгенови лъчи, които излъчва. Вълнението е толкова голямо, че астрофизиците Стивън Хокинг и Кип Торн дори решават да се обзаложат какво точно представлява той. Хокинг залага на предположението, че Cygnus X-1 не е черна дупка. И губи. През 1990 г. великият учен признава своята грешка, а Cygnus X-1 остава в историята като първата открита черна дупка. Нещо повече – оказва се, че обектът всъщност е система от звезда и черна дупка, обикалящи една около друга. Разстоянието между тях е около 30 млн. км. (приблизително една пета от дистанцията между Земята и Слънцето).

When it comes to black holes, mass matters: Weighing in at roughly 21 solar masses, the black hole in the X-ray binary system Cygnus X-1 is so massive that it challenges current stellar evolution models, a new Science study reveals. ($) https://t.co/k5EwHQbcQ3 pic.twitter.com/pfRNqfsgwp

— Science Magazine (@ScienceMagazine) February 18, 2021

Предполага се, че в миналото системата е била част от звездната група Cygnus OB3. Ако е истина, това би означавало, че възрастта й е около 5 млн. години, отбелязват учените. „Родителят“ на Cygnus X-1 вероятно е много по-стара масивна звезда, която е изхвърляла големи количества материя под формата на т. нар. звезден вятър (подобни явления се наблюдават често при звезди, наближаващи края на живота си), преди да претърпи гравитационен колапс и да се превърне в черна дупка.

От изхвърлената материя се е формирала звездата HDE226868, която днес е част от системата и на свой ред захранва черната дупка посредством звезден вятър. Материята, която попада в неин плен, се загрява до няколко милиона градуса и се образува т. нар. акреционен диск, на което се дължи и споменатото вече интензивно излъчване на рентгенови лъчи. Показателен за мащабите на този процес е фактът, че хоризонтът на събитията (линията, зад която материята, привлечена от черната дупка, няма как да се измъкне от нейната мощна гравитация) се завърта цели 800 пъти за една секунда.

Наблюденията на HDE 226868 разкриват някои любопитни детайли за нея. Формата й е издължена и прилича на сълза, причината за което е мощното гравитационно привличане на черната дупка, намираща се до нея. Това също така води до периодични промени в нейната яркост. Изчисленията на учените сочат, че ако HDE 226868 не беше в плен на черната дупка, то тя щеше да е много по-ярка и дори да е видима с невъоръжено око. Извършени спектрални анализи на свой ред разкриват, че профилът й е сходен с този на друга звезда – P Cygni. По тази причина експертите смятат, че около HDE 226868 има газова обвивка, която постепенно бива „изтласквана“ от звездата с приблизителна скорост от 1500 км. в секунда.

One of the first known black holes is more massive than once thought. Astronomers might need to adjust their expectations for black holes. According to the New York Times, an international research team has determined that Cygnus X-1, one of the first... https://t.co/yVkktWVKTm pic.twitter.com/rZ40YO1lVZ

— synchronit (@synchronit) February 20, 2021

Ново изследване, резултатите от което бяха публикувани в средата на февруари, разкрива непознати до момента данни за Cygnus X-1. Според неговите автори, черната дупка е много по-масивна, отколкото се смята в момента. Техните изчисления показват, че масата й е около 21 пъти по-голяма от тази на Слънцето. Данните карат астрономите да преосмислят някои от своите представи за еволюцията на звездите, образуващи черни дупки. Особено важен е въпросът каква част от своята маса губят те в хода на този процес. Това е от голямо значение, тъй като може да разкрие неподозирани детайли за начина, по който звездите изхвърлят тежки елементи.

Новите данни представляват „голяма промяна за един стар наш познайник“, отбелязва астрономът от университета в Амстердам Тана Джоузеф. Тя обяснява, че те са събрани с помощта на VLBA (Very Long Baseline Array) – система от няколко радиотелескопа, разположени в САЩ. През 2016 г. VLBA изследва струите материя, които Cygnus X-1 изхвърля. Наблюденията продължили шест дни – времето, за което звездата и черната дупка извършват пълен кръг една около друга. Подробният анализ на получените резултати изненадал учените. Досега се смяташе, че Cygnus X-1 се намира на около 6000 светлинни години от Земята. Новите данни обаче сочат, че въпросното разстояние всъщност е 7200 светлинни години. Това на свой ред навежда на мисълта, че HDE226868 е значително по-голяма и по-ярка, отколкото се смяташе досега (изчисленията показват, че звездата е над 40 пъти по-масивна от Слънцето).  

First black hole ever detected is more massive than we thought, Beijing, China (SPX) Feb 19, 2021 Cygnus X-1, a binary star system first discovered in 1964, comprises one of the closest black holes to Eart... https://t.co/kXrEU8XnUZ pic.twitter.com/yJhjgXIyXL

— Copernical.com (@Copernical) February 20, 2021

Представите на учените за превръщането на масивни звезди в черни дупки вероятно ще бъдат напълно променени, отбелязва астрофизикът Илия Мандел от университета „Монаш“ в Мелбърн, който е сред авторите на новото изследване. „Понякога звезди се раждат с много голяма маса – около 100 пъти по-голяма от тази на Слънцето, например“, отбелязва той. В резултат на звездните ветрове, те губят голяма част от нея, преди да се превърнат в черни дупки. Казано най-просто: колкото по-голяма е дадена звезда, толкова повече тежки елементи съдържа тя, а звездните ветрове, които образува, са по-силни. В галактики, богати на тежки елементи (като Млечния път), големите звезди се свиват до състояние, еквивалентно на 15 слънчеви маси, преди да се трансформират в черни дупки. Cygnus X-1 обаче е очевидното доказателство, че има някаква грешка в тези изчисления.

Освен това, детекторите на гравитационни вълни LIGO и Virgo вече откриха няколко черни дупки, които са десетки пъти по-масивни от Слънцето. Едно от вероятните обяснения е, че LIGO изследва далечни и по-стари галактики, обяснява Тана Джоузеф. В ранните години на Вселената са съществували по-малко тежки елементи, а звездните ветрове са били по-слаби. „Резултатите от проучванията на Cygnus X-1 ни показват, че имаме една наистина масивна черна дупка в среда, която е богата на тежки елементи. Каква е причината? Може би отговорът е, че не се губи толкова много маса в резултат на звездните ветрове, колкото предполагахме досега“, добавя Джоузеф.