Пухнасте скупчення зірок, що розсипане по небу, може приховувати в своєму серці таємницю: рій із понад 100 чорних дір зоряної маси.
Йдеться про зоряне скупчення під назвою Палома 5. Це зоряний потік, який простягається на 30 000 світлових років і знаходиться приблизно за 80 000 світлових років від нас.
Такі глобулярні скупчення часто вважають «викопними рештками» раннього Всесвіту. Вони мають дуже щільну та сферичну форму, зазвичай містять близько 100 000 до 1 мільйона дуже старих зірок; деякі, як NGC 6397, майже такі ж старі, як і сам Всесвіт.
У будь-якому глобулярному скупченні всі зорі формуються одночасно з однієї хмари газу. У Чумацькому Шляху відомо понад 150 таких скупчень; вони є чудовими інструментами для вивчення історії Всесвіту або темної матерії в галактиках, які вони оточують.
Однак все більше уваги привертають інші зоряні утворення — приливні потоки, довгі річки зірок, що простягаються по небу.
Раніше ці потоки було важко ідентифікувати, але завдяки даним космічної обсерваторії Gaia, яка з високою точністю картографує Чумацький Шлях у трьох вимірах, таких потоків було виявлено більше.
«Ми не знаємо, як саме формуються ці потоки, але одна з ідей полягає в тому, що це результат руйнування зоряних скупчень», — пояснив астрофізик Марк Гілес з Університету Барселони в Іспанії у 2021 році, коли дослідники вперше повідомили про відкриття.
«Однак жоден із нещодавно відкритих потоків не має асоційованого з ним зоряного скупчення, тому ми не можемо бути впевнені. Щоб зрозуміти, як утворюються ці потоки, потрібно вивчити один із зоряною системою. Палома 5 — це єдиний такий випадок, тому ми детально його дослідили».
Палома 5 виглядає унікально завдяки дуже широкому, розслабленому розподілу зірок і довгому приливному потоку, який охоплює понад 20 градусів неба, тому команда Гілеса зосередилася на ньому.
Дослідники використали докладні симуляції N-body, щоб відтворити орбіти та еволюцію кожної зорі у скупченні та зрозуміти, як вони опинилися там, де знаходяться зараз.
Оскільки недавні дослідження свідчать, що популяції чорних дір можуть існувати в центральних регіонах глобулярних скупчень, а гравітаційні взаємодії з чорними дірами відомі тим, що викидають зорі з скупчення, вчені включили чорні діри до своїх симуляцій.
Результати показали, що популяція чорних дір зоряної маси в Палома 5 могла призвести до конфігурації, яку ми бачимо сьогодні. Орбітальні взаємодії викинули зорі з скупчення в приливний потік, але лише за умови значно більшої кількості чорних дір, ніж очікувалося.
Зорі, що залишають скупчення швидше, ніж чорні діри, змінили б співвідношення, збільшуючи частку чорних дір.
«Кількість чорних дір приблизно втричі перевищує очікувану на основі кількості зірок у скупченні, і це означає, що понад 20% загальної маси скупчення складають чорні діри», — сказав Гілес.
«Кожна з них має масу близько 20 сонячних, і вони утворилися під час спалахів наднових наприкінці життя масивних зірок, коли скупчення було ще дуже молодим».
За приблизно мільярд років, згідно з симуляціями команди, скупчення повністю розчиниться. Незадовго до цього залишки скупчення складатимуться виключно з чорних дір, що обертатимуться навколо галактичного центру. Це свідчить, що Палома 5 не є унікальним — воно повністю розчиниться у зоряному потоці, як і інші.
Це також свідчить, що інші глобулярні скупчення, ймовірно, очікує така сама доля. Це підтверджує, що глобулярні скупчення можуть бути чудовим місцем для пошуку чорних дір, які врешті-решт зіткнуться, а також рідкісного класу середньомасивних чорних дір між легкими зоряними та важкими надмасивними.
«Вважається, що значна частина злиттів подвійних чорних дір утворюється в зоряних скупченнях», — зазначив астрофізик Фабіо Антоніні з Університету Кардіффа у Великій Британії.
«Велика невідомість у цьому сценарії полягає в тому, скільки чорних дір є у скупченнях, що важко визначити спостереженнями, бо ми не можемо побачити чорні діри. Наш метод дає змогу дізнатися, скільки чорних дір є в зоряному скупченні, досліджуючи зорі, які вони викидають».
