Исследование показало, что шаровое звездное скопление под названием Palomar 5 может содержать в себе более 100 черных дыр от общей массы скопления. Оно представляет собой звездный поток, простирающийся на 30 тыс. световых лет и расположенный на расстоянии около 80 тыс. световых лет.
Такие шаровые скопления часто считаются «ископаемыми» ранней Вселенной. Они очень плотные и сферические. В них обычно содержится от 100 тыс. до 1 млн очень старых звезд. Некоторым из них, например NGC 6397, почти столько же лет, сколько самой Вселенной.
В любом шаровом скоплении все звезды образовались в одно и то же время, из одного и того же газового облака. В Млечном Пути известно более 150 таких скоплений. Эти объекты являются прекрасными инструментами для изучения, например, истории Вселенной или содержания темной материи в галактиках, вокруг которых они вращаются.
Но есть и другой тип звездных групп, который привлекает все больше внимания, — это приливные потоки, длинные реки звезд, протянувшиеся по всему небу. Раньше их было трудно идентифицировать, но после того как данные космической обсерватории Gaia позволили с высокой точностью составить трехмерную карту Млечного Пути, стало известно об их большом количестве.
«Мы не знаем, как формируются эти потоки, но одна из идей состоит в том, что они представляют собой разрушенные звездные скопления, — объяснил астрофизик Марк Гилес. — Однако ни один из недавно обнаруженных потоков не имеет связанного с ним звездного скопления, поэтому мы не можем быть уверены».
Шаровое скопление звезд Palomar 5 уникально тем, что имеет очень широкое, свободное распределение звезд и длинный приливной поток, охватывающий более 20 градусов неба, поэтому Гилельс и его команда нацелились именно на него. Они использовали детальное моделирование N-тела, чтобы воссоздать орбиты и эволюцию каждой звезды в скоплении и понять, как они могли оказаться там, где находятся сегодня.
Поскольку последние данные свидетельствуют, что в центральных областях шаровых скоплений могут существовать популяции черных дыр, а гравитационное взаимодействие с черными дырами, как известно, приводит к удалению звезд, ученые включили черные дыры в некоторые модели.
Результаты показали, что популяция черных дыр со звездной массой в пределах Palomar 5 могла привести к той конфигурации, которую можно наблюдать сегодня. Орбитальные взаимодействия могли бы выбросить звезды из скопления в приливной поток, но только при значительно большем количестве черных дыр, чем было предсказано.
«Количество черных дыр примерно в три раза больше, чем ожидалось по количеству звезд в скоплении, и это означает, что более 20% общей массы скопления составляют черные дыры», — говорит Гилельс.
По его словам, масса каждой из них примерно в 20 раз больше массы Солнца и они образовались во время взрывов сверхновых в конце жизни массивных звезд, когда скопление было еще очень молодым.
Моделирование, проведенное командой, показало, что примерно через миллиард лет скопление полностью распадется. Как раз перед тем, как это произойдет, остатки скопления будут состоять из черных дыр, вращающихся вокруг галактического центра. Исследователи отмечают, что другие шаровые скопления, скорее всего, в конечном итоге тоже постигнет та же участь.
Это подтверждает, что шаровые скопления могут быть отличным местом для поиска черных дыр, которые в конечном итоге столкнутся, а также неуловимого класса черных дыр среднего веса, между легковесами со звездной массой и сверхмассивными тяжеловесами.
«Считается, что большая часть бинарных слияний черных дыр образуется в звездных скоплениях, — говорит астрофизик Фабио Антонини. — В этом сценарии неизвестно, сколько черных дыр находится в скоплениях, что трудно определить наблюдательно, так как мы не можем видеть черные дыры. Наш метод дает нам возможность узнать, сколько черных дыр находится в звездном скоплении, глядя на звезды, которые они выбрасывают».
Массивные звезды, примерно в восемь раз превосходящие по массе Солнце, в конце своей жизни взрываются как сверхновые. Взрывы, которые оставляют после себя черную дыру или нейтронную звезду, настолько энергичны, что могут затмевать свои родительские галактики на месяцы. Однако астрономы заметили массивную звезду, которая пропустила взрыв и сразу превратилась в черную дыру.