Моделирование раскрыло скрытую популяцию чёрных дыр Млечного Пути

Совсем скоро астрономы получат уникальный набор данных о чёрных дырах в нашей Галактике благодаря новым обзорам космических телескопов. Чтобы подготовиться к интерпретации этих данных, международная группа исследователей провела детальное моделирование всей популяции чёрных дыр Млечного Пути, впервые учтя как их бинарную эволюцию, так и траектории движения в гравитационном поле Галактики.

Новое исследование, основанное на моделировании cogsworth, показывает, что за всю историю Млечного Пути в нём сформировалось около 170 миллионов звёздных чёрных дыр. Однако точное число сильно зависит от начальных условий и физических параметров — в разных вариантах расчётов оно может отличаться в целый порядок. При этом подавляющее большинство этих объектов (примерно 91%) сегодня являются изолированными, то есть не имеют гравитационно связанных компаньонов. Лишь около 3% чёрных дыр сумели набрать скорость, достаточную для того, чтобы навсегда покинуть Галактику.

Из оставшихся примерно 10 миллионов чёрных дыр, входящих в двойные системы, наиболее частыми партнёрами оказываются другие чёрные дыры или белые карлики. Гораздо реже — примерно в 100 тысяч случаев — спутником выступает обычная яркая звезда. Несмотря на то, что все чёрные дыры рождаются в бинарных системах, большинство таких пар разрушается ещё на стадии вспышки сверхновой: асимметричный взрыв сообщает новорождённому компактному объекту мощный импульс, который разрывает исходную орбиту.

Одним из самых интересных выводов работы стало распределение чёрных дыр в пространстве. Оказалось, что они «размазаны» по галактическому диску значительно сильнее, чем видимые звёзды: эффективная высота их распределения над плоскостью Галактики примерно в 2,5 раза больше, чем у звёздного населения. Этот эффект — прямое следствие ускорений, полученных при рождении: слабые по массе чёрные дыры получают более сильные «пинки» и улетают далеко от плоскости, тогда как массивные объекты за счёт аккреции выпавшего вещества теряют импульс и остаются ближе к диску.

Корреляция массы и положения проявляется особенно ярко: чем дальше от галактической плоскости находится чёрная дыра, тем ниже её масса. Вблизи плоскости (в пределах 1 килопарсека) медианная масса достигает 7,7 масс Солнца, тогда как на расстояниях более 10 килопарсеков она падает до 5 солнечных масс. Этот тренд полностью обратен тому, что был заложен при рождении объектов, — изначально более массивные чёрные дыры формировались в толстом диске с низкой металличностью, но именно они получают слабый импульс и не покидают окрестности плоскости, в то время как лёгкие собратья разлетаются во все стороны.

Особый интерес представляют чёрные дыры, оставшиеся в двойных системах со звёздами. Они демонстрируют чёткую разделение на два класса: тесные короткопериодические системы, прошедшие через стадию общей оболочки, в которых маломассивная чёрная дыра удерживается сильной гравитационной связью, и широкие долгопериодические системы, где массивная чёрная дыра практически не испытала импульса и осталась в широкой орбите. Граница между ними проходит при периоде около 7000 дней и зависит от массы дыры — эта закономерность позволяет по наблюдаемым параметрам надёжно определять эволюционный путь системы.

Исследователи также оценили влияние эволюции самого гравитационного потенциала Млечного Пути за последние 12 миллиардов лет. Учёт того, что Галактика постепенно наращивала массу, приводит к росту доли убежавших чёрных дыр в 2,5 раза (с 2,7% до 6,9%) и увеличивает масштаб высоты оставшихся примерно на 20%. Интересно, что пренебрежение бинарными взаимодействиями, наоборот, завышает эту высоту на 30% — потому что в реальности массивный компаньон «делит» импульс взрыва, снижая итоговую скорость системы.

Авторы подчёркивают, что их результаты крайне чувствительны к двум ключевым неопределённостям: модели остаточных масс после вспышки сверхновой и закону распределения начальных импульсов. Это означает, что будущие наблюдательные данные — от космического телескопа Roman, четвёртого релиза Gaia, а также спектроскопических обзоров — смогут напрямую проверить теории взрывов массивных звёзд и механизмы формирования чёрных дыр. Особенно перспективно гравитационное микролинзирование, которое позволит обнаружить сотни изолированных объектов, и астрометрические измерения, которые откроют десятки новых двойных систем со звёздами.

Таким образом, моделирование даёт чёткие, поддающиеся проверке предсказания о том, как должны выглядеть «невидимые» чёрные дыры нашей Галактики — где они находятся, сколько их, с кем они соседствуют и как связаны их масса и пространственное положение. Сравнение этих предсказаний с реальными данными, которые поступят в ближайшие годы, обещает стать важным этапом в понимании эволюции звёзд и физики сверхновых.