Международная группа астрономов обнаружила кратковременную, но чрезвычайно яркую вспышку света в направлении Большого Магелланова Облака — галактики-спутника Млечного Пути. Анализ события показал, что его причиной мог стать сверхкомпактный объект массой всего около трёх масс Луны. Исследователи считают, что это может быть один из лучших кандидатов на роль первичной чёрной дыры — гипотетического объекта, сформировавшегося в первые мгновения существования Вселенной.
Наблюдения проводились в декабре 2019 года в течение пяти ночей с использованием камеры DECam, установленной на четырёхметровом телескопе Blanco в обсерватории Серро-Тололо в Чили. Учёные изучали участок Большого Магелланова Облака в поисках событий гравитационного микролинзирования — кратковременных увеличений яркости звезды, возникающих при прохождении массивного объекта между наблюдателем и далёкой звездой.
Во время наблюдений астрономы зафиксировали событие, получившее название Phoebe. В течение примерно одного часа яркость звезды, расположенной примерно в 50 тысячах световых лет от Земли, плавно и симметрично увеличилась, а затем вернулась к нормальному уровню. В последующие дни подобное явление больше не повторялось. Именно такой характер изменения яркости соответствует эффекту гравитационного микролинзирования, когда невидимый компактный объект действует как космическая линза.
Гравитационное микролинзирование возникает, когда массивный объект — планета, звезда или чёрная дыра — проходит точно перед более удалённой звездой. Под действием гравитации свет фоновой звезды искривляется, из-за чего она на короткое время становится ярче. Продолжительность такого события зависит от массы линзы: чем объект легче, тем быстрее происходит вспышка. Поскольку событие Phoebe длилось всего около 60 минут, исследователи сразу поняли, что столкнулись с чрезвычайно лёгким объектом.
Особое внимание учёных привлекла возможность того, что Phoebe может быть первичной чёрной дырой. В отличие от обычных чёрных дыр, возникающих после коллапса массивных звёзд, первичные чёрные дыры, согласно теории, образовались в эпоху космической инфляции — в первые доли секунды после Большого взрыва. Такие объекты рассматриваются как потенциальные кандидаты на роль тёмной материи — загадочной невидимой субстанции, составляющей большую часть массы Вселенной.
Авторы работы построили статистическую модель, чтобы оценить вероятность трёх сценариев происхождения объекта. Согласно первому варианту, Phoebe может быть объектом внутри Млечного Пути — например, свободно блуждающей планетой или маломассивной звездой. Во втором случае объект мог бы находиться в самом Большом Магеллановом Облаке. Третий сценарий предполагает, что Phoebe принадлежит гало тёмной материи, окружающему обе галактики. Расчёты показали, что вероятность связи объекта с тёмной материей оказалась в сто тысяч раз выше, чем вероятность того, что это обычная звезда или планета.
На основе световой кривой, полученной камерой DECam, астрономы оценили массу и расстояние до объекта. Если Phoebe действительно находится в гало тёмной материи Млечного Пути, его масса составляет около 0,026 массы Земли, что примерно соответствует трём массам Луны. При этом объект должен находиться на расстоянии около 18 200 световых лет от Земли, далеко за пределами основной части звёздного диска нашей галактики.
Если же Phoebe является свободно плавающей планетой внутри Млечного Пути, её масса должна составлять около 0,022 массы Земли, а расстояние до неё — примерно 565 световых лет. В случае нахождения объекта в Большом Магеллановом Облаке его масса могла бы достигать 0,1 массы Земли. Тем не менее авторы исследования подчёркивают, что наиболее вероятным остаётся сценарий с первичной чёрной дырой.
Учёные отмечают, что Phoebe — не единственный подобный кандидат. В работе упоминаются недавние наблюдения японского телескопа Subaru на Гавайях, с помощью которого были обнаружены 12 похожих объектов в направлении галактики Андромеды. Все они также обладают массами порядка лунной. Это может свидетельствовать о существовании целой популяции сверхлёгких чёрных дыр, связанных с распределением тёмной материи.
Исследователи считают, что подтверждение природы Phoebe стало бы чрезвычайно важным открытием для космологии. Если объект действительно является первичной чёрной дырой, то он мог сформироваться ещё до нуклеосинтеза Большого взрыва — фактически в первые мгновения существования Вселенной. Такие объекты способны дать ключ к пониманию механизмов космической инфляции и природы тёмной материи.
Перед тем как прийти к этим выводам, команда тщательно проверила альтернативные объяснения вспышки. Учёные анализировали возможность того, что Phoebe могла оказаться переменной звездой, двойной системой, вспыхивающей звездой или даже результатом наложения света соседних объектов. Для этого световую кривую Phoebe сравнили с 28 реальными вспышками звёзд, зарегистрированными космическими телескопами TESS и Kepler.
Сравнение показало, что структура и продолжительность события Phoebe существенно отличаются от вспышек звёзд. Дополнительно исследователи использовали программный комплекс AstroPhot для независимого анализа изображения и подтвердили, что увеличение яркости не было вызвано плохо отделённой соседней звездой.
Несмотря на это, авторы признают фундаментальное ограничение метода гравитационного микролинзирования: сам объект-линза остаётся невидимым. Астрономы могут наблюдать только его влияние на свет фоновой звезды. Поэтому пока невозможно с абсолютной уверенностью определить, является ли Phoebe первичной чёрной дырой, свободно блуждающей планетой или другим экзотическим объектом, например аксионной звездой.
По словам исследователей, единственный способ окончательно отличить популяцию первичных чёрных дыр от планетарных объектов заключается в обнаружении большого числа подобных событий в разных областях неба. Именно поэтому открытие Phoebe и кандидатов, найденных телескопом Subaru, уже стало аргументом в пользу проведения новых высокочастотных наблюдений с помощью будущих обсерваторий Nancy Grace Roman и Vera C. Rubin.
На данный момент Phoebe считается лучшим кандидатом на роль первичной чёрной дыры лунной массы, обнаруженной в направлении Большого Магелланова Облака. И эта часовая вспышка света может стать ключом к новой эпохе изучения невидимой части Вселенной.