Исследование
В Black Hole Hunters мы просим вас помочь нам найти несколько из миллионов скрывающихся чёрных дыр галактики Млечный Путь. Используя данные со спутника TESS, мы хотели бы, чтобы вы посмотрели на графики того, как яркость звёзд меняется с течением времени, ища эффект, называемый гравитационным микролинзированием. Этот эффект линзирования может указывать на то, что массивный объект прошёл перед звездой — его гравитация искривила и сфокусировала свет звезды — и мы надеемся использовать это, чтобы найти ранее неизвестные чёрные дыры.
Что такое чёрные дыры?
Чёрная дыра — это один из объектов, который может появиться после того, как у звезды заканчивается топливо. Не все звёзды оставляют после себя чёрную дыру. То, что остаётся, зависит от того, насколько массивна звезда. Менее массивные звёзды, такие как наше Солнце, оставляют после себя белые карлики. Звёзды, масса которых примерно в десять раз больше массы Солнца, оставляют после себя нейтронные звёзды. А самые большие звёзды, масса которых в 20 и более раз превышает солнечную, оставляют после себя чёрные дыры.
Во всех трёх случаях оставшийся объект гораздо плотнее звезды, из которой он образовался. Белый карлик имеет массу, примерно равную массе Солнца (не весь материал исходной звезды попадает в остаток, поэтому в любом случае то, что остается, имеет меньшую массу, чем исходная звезда), а по размеру он может быть схож с Землёй. Нейтронная звезда более массивна, примерно в два раза больше массы Солнца и около 10 километров в поперечнике. Чёрные дыры не имеют верхнего предела массы, но большинство из них должны иметь массу около 10 солнечных масс с радиусом около 30 километров.
Чёрные дыры — странные объекты. Радиус, упомянутый выше, не является физической поверхностью, это просто расстояние от центра, где скорость убегания (скорость, с которой вам нужно лететь, чтобы покинуть пределы зоны) равна скорости света, и это называется радиусом Шварцшильда или горизонтом событий. Это означает, что чёрные дыры действительно чёрные, потому что их гравитация настолько сильна, что свет оказывается запертым внутри этого радиуса. Физика не может полностью объяснить, что на самом деле происходит внутри чёрной дыры. Общая теория относительности дает бессмысленный ответ, что содержимое чёрной дыры сжимается в бесконечно плотную точку с нулевым объёмом. Квантовая физика также пока не имеет полного объяснения.
Хотя структура чёрных дыр остаётся загадкой, физика может объяснить, что происходит за их пределами – а там происходят весьма экстремальные вещи. Чёрные дыры могут втягивать материал из звёзд-соседок в процессе, называемом «аккрецией», разогревая его до сверхвысоких температур – настолько высоких, что он ярко светится в рентгеновских лучах. Когда чёрные дыры не аккрецируют (не поглощают вещество), они почти полностью невидимы, но они оставляют несколько подсказок, которые могут помочь нам их найти.
Скрытые чёрные дыры Галактики
Многие звёзды не одиноки. Часто они объединены в пары, которые называются "двойными" системами, в которых две звезды вращаются друг вокруг друга. Иногда они находятся в ещё бóльших группах, все они связаны гравитацией.
Большинство звёзд, которые достаточно массивны, чтобы создавать чёрные дыры, находятся в двойных системах. Но когда звезда коллапсирует, образуя чёрную дыру, ее внешние слои взрываются мощной сверхновой. Так что же происходит с другой звездой во время взрыва?
Можно было бы подумать, что сила взрыва сверхновой либо уничтожит другую звезду, либо, по крайней мере, оттолкнет её от новой чёрной дыры, так что обе они останутся без пары. Иногда может произойти и то, и другое, но часто гравитация сильнее взрыва, поэтому другая звезда не только выживает, но и звезда, и новая чёрная дыра фактически оказываются на орбите друг вокруг друга.
Мы считаем, что именно в таких системах — двойных, содержащих звезду и чёрную дыру — должно быть большинство чёрных дыр Галактики. Некоторые такие системы известны (их около 70), но почти все они были обнаружены только потому, что чёрная дыра оказалась достаточно близко к звезде, чтобы аккрецировать (т. е. поглощать вещество этой звезды), поэтому мы можем видеть очевидную рентгеновскую сигнатуру, которая говорит нам, что чёрная дыра там. Проблема в том, что большинство чёрных дыр большую часть времени не аккрецируют. Благодаря точным измерениям миссии Gaia – удалось обнаружить несколько таких чёрных дыр, но, по оценкам учёных, их должно быть более 10 миллионов!
Это огромное количество чёрных дыр скрыто от нас, ведь эти объекты не излучают никакого света.
Линзирование: метод обнаружения скрытых чёрных дыр
Чёрные дыры, которые мы ищем, могут быть незаметными, но есть ещё несколько способов, которые мы можем использовать, чтобы их искать. Чёрные дыры не излучают никакого света, но они все равно влияют на пространство вокруг себя посредством своей гравитации. В этом проекте мы ищем эффект, который гравитация чёрной дыры может оказывать на свет её звезды-компаньона, называемый гравитационным линзированием.
Если звезда и чёрная дыра случайно окажутся на одной линии так, что чёрная дыра время от времени будет проходить между звездой и нами, то гравитация чёрной дыры может искривить свет звезды, действуя как увеличительное стекло и делая звезду ярче.
Рисунок 1 Свет от звезды усиливается, когда чёрная дыра проходит перед ней. Это создает характерный пик на кривой блеска.
И это, как раз, то, что мы ищем! У нас есть очень много данных о яркости звёзд, поэтому мы можем увидеть, если их яркость внезапно изменится. Но нам нужна ваша помощь — события микролинзирования должны быть очень редки (так как расположение чёрной дыры, её звезды-компаньона, нашей планеты и телескопа-свидетеля линзирования должны определённым образом совпасть), а помимо линзирования ещё есть другие вещи, которые могут заставить звёзды на короткое время выглядеть ярче (например, вспышки и пульсации). Нам нужна ваша помощь, чтобы найти чёрные дыры!
Как вы можете помочь?
Всё, что вам нужно сделать, это посмотреть на несколько простых графиков, как тот, что показан ниже, и сообщить нам, видите ли вы что-то похожее на характерную пикообразную структуру. Эти графики называются кривыми блеска, и они показывают, насколько яркой была конкретная звезда в момент, когда ее измеряли. Мы ищем моменты, когда звезда внезапно становится ярче на некоторое время, а затем возвращается к норме.
Когда вы заметите что-то похожее на такой пик, просто выделите его на графике. Если вы сделали ошибку или не уверены в своем ответе, не волнуйтесь! Мы покажем каждый из графиков нескольким людям и объединим ваши ответы, поэтому любые ошибки будут усреднены в окончательных результатах.
Как только мы получим окончательные результаты, мы воспользуемся ими, чтобы составить список кандидатов в события микролинзирования, которые мы сможем исследовать дальше. Есть и другие виды поисков таких чёрных дыр (например, мы можем очень точно измерить, движется ли звезда под воздействием гравитации чёрной дыры). Но такие измерения занимают много времени, а это значит, что они дорогие, и мы не можем сделать их для каждой звезды — поэтому более точные измерения мы проведём с кандидатами в чёрные дыры из нашего списка!
Вы можете задаться вопросом, почему нам нужно, чтобы это сделали вы, а не компьютер. Дело в том, что компьютеры, на данный момент, плохо справляются с такими задачами. Они могут найти самые очевидные события линзирования, но если на кривой блеска, например, присутствуют шумовые пики или пик реального линзирования окажется слишком маленьким, компьютер не сможет обнаружить событие линзирования. Мы считаем, что люди - вы! - справитесь с этой задачей лучше компьютеров, так как человеческий глаз пока не может заменить ни один компьютер!
Откуда берутся наши данные?
Измерения, с которыми мы сейчас работаем, поступают с космического спутника для исследования транзитных экзопланет, или TESS. Спутник TESS находится на орбите с 2018 года, выполняя миссию по поиску экзопланет (планет за пределами нашей Солнечной системы), ища транзиты - небольшие провалы в яркости звёзд, когда планеты проходят перед своими звёздами. Принцип работы спутника очень похож на то, чем занимаемся мы, поэтому данные TESS идеально нам подходят!
Прежде чем начать работу с данными TESS, мы провели такой же поиск, используя данные наземного исследования SuperWASP. Как и TESS, SuperWASP искал экзопланеты, а наблюдения проводились с 2004 по 2016 год. Результаты нашего поиска при помощи SuperWASP все еще анализируются и должны быть опубликованы в ближайшее время.