Космический «сюрприз»: вместо черной дыры астрономы обнаружили редкую тройную звездную систему

Вселенная полна сюрпризов. Иногда, отправляясь на охоту за самыми загадочными объектами космоса — черными дырами и нейтронными звездами, — ученые находят нечто совершенно иное, но не менее удивительное. Именно такая история произошла с международной командой астрономов, которая вела поиск невидимых «компактных объектов» в двойных звездных системах. Вместо одинокой черной дыры или нейтронной звезды они обнаружили невероятно тесную и сложную тройную звездную систему, где три солнца танцуют в гравитационном балете. Эта система, получившая обозначение G1010, представляет собой редкий класс «компактных иерархических тройных систем» и открывает новое окно в понимание звездной динамики. Открытие было сделано благодаря уникальному сочетанию данных европейского космического телескопа Gaia и последующих наземных наблюдений, что подчеркивает мощь современных астрономических методов.

Часть 1: Настройка «космического радара»: как ищут невидимое

Что такое «компактный объект» и почему его так сложно найти?

Перед тем как погрузиться в детали открытия, важно понять, что именно искали ученые. Компактные объекты — это остатки «умерших» звезд, исчерпавших свое ядерное топливо. К ним относятся белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Сами по себе они часто невидимы в оптическом диапазоне или крайне тусклы. Однако их можно обнаружить по гравитационному воздействию на звезду-компаньона, которая вращается вокруг этого невидимого соседа. Поиск компактных объектов в двойных системах — одна из самых горячих тем в современной астрофизике, так как такие системы помогают изучать гравитационные волны и происхождение сверхновых.

Революция Gaia: каталог на миллиард звезд

Поворотным моментом в этой охоте стал европейский космический телескоп Gaia. Его третья публикация данных (Gaia DR3) содержит информацию о положении, движении и яркости почти двух миллиардов звезд. Особенно ценен для «охотников» раздел каталога под названием nss_two_body_orbit. В нем Gaia приводит предварительные орбитальные решения для примерно 200 000 двойных систем, вычисленные на основе астрометрии (точного измерения положения) и спектроскопии (анализа света).

Именно из этого огромного списка астрономы начали отбор кандидатов, которые могли бы скрывать галактические черные дыры или нейтронные звезды. Критерии были строгими:

Яркость звезды-компаньона (по которой ищут невидимку) не более 13-й звездной величины, чтобы ее можно было детально изучить с Земли.
Расположение на небе севернее -20 градусов для доступности с японских обсерваторий.
Звезда-компаньон должна быть желтого или оранжевого карлика (спектральные классы G или K), так как их свет содержит много четких линий для точных измерений скорости.
Расчетная масса невидимого спутника должна превышать 1.35 массы Солнца — это порог, за которым объект уже не может быть обычной звездой и с высокой вероятностью является тем самым компактным объектом.

Одним из кандидатов, который прошел все эти фильтры, и стала звезда Gaia DR3 1010268155897156864, или G1010. Данные Gaia указывали, что вокруг видимой звезды с периодом около 277 дней обращается что-то очень массивное и невидимое. Это был идеальный кандидат в двойную систему с компактным объектом.

Часть 2: Первые подозрения и спектроскопическая детективная работа

Низкочастотный «сигнал»: странности в движении звезды

Чтобы подтвердить или опровергнуть гипотезу о черной дыре, необходимо измерить лучевую скорость звезды — то, с какой скоростью она приближается к нам и удаляется под действием гравитации невидимого соседа. Это делается с помощью спектрографа — прибора, который раскладывает свет звезды на радугу и позволяет увидеть мельчайшие смещения линий.

Команда провела несколько наблюдений звезды G1010 на телескопе «Субару» с высокоточным спектрографом HIDES. Первые же данные подтвердили: звезда действительно движется по орбите с периодом ~277 дней, как и предсказывал Gaia. Однако расчеты массы невидимого компаньона давали ошеломляющий результат — около 1.5 массы Солнца. Это значение попадало в «серую зону»: оно было слишком велико для большинства белых карликов, но несколько маловато для уверенного отнесения к черной дыре. Это было первое несоответствие.

Высокоточный «снимок»: раздвоение спектральных линий

Чтобы разобраться, астрономы провели одно, но чрезвычайно детальное и длительное наблюдение с высоким отношением сигнал/шум. И вот тут случился прорыв. При тщательном анализе спектра они обнаружили, что некоторые тонкие спектральные линии, которые должны быть одиночными, выглядели слегка «размытыми» или даже «раздвоенными». Это был ключевой признак.

Такой эффект возникает не из-за одного массивного объекта, а из-за того, что свет приходит от двух разных источников, которые движутся с разными скоростями. Проще говоря, «невидимый массивный компаньон» на самом деле оказался не одиночным телом, а тесной парой звезд — внутренней двойной системой. Видимая звезда (первичная) обращается вокруг этого дуэта. Таким образом, система G1010 оказалась не двойной, а тройной звездной системой, причем с четкой иерархической структурой: две звезды крутятся близко друг к другу (внутренняя пара), а эта пара вместе обращается вокруг третьей, более массивной звезды (внешняя орбита).

Часть 3: Раскрытие полной картины: тройная система G1010

Архитектура системы: звездный танец в три такта

После этого открытия все части головоломки встали на свои места. Тройная звездная система G1010 устроена следующим образом (см. рис. 1 в оригинальной статье):

Первичная звезда (G1010 A): Самая яркая и массивная компонента системы, желтый карлик массой около 0.85 массы Солнца. Именно ее свет изначально изучали астрономы.
Внутренняя двойная система (G1010 B и C): Две менее массивные звезды, оранжевые карлики массами около 0.63 и 0.61 массы Солнца. Они обращаются друг вокруг друга на очень тесной орбите.
Внешняя орбита: Вся внутренняя пара (B+C) как единое целое обращается вокруг первичной звезды A.

Параметры орбит поражают:

Внутренняя орбита (B вокруг C): период всего 18.26 дней. Звезды находятся очень близко друг к другу.
Внешняя орбита (A вокруг пары B+C): период 277.2 дня. Это делает всю систему чрезвычайно компактной по меркам иерархических тройных систем.

Случайность или закономерность? Сравнение с другими системами

Оказалось, что G1010 — не единственная в своем роде. За последние годы, в основном благодаря миссии Kepler и TESS, было открыто несколько десятков подобных компактных тройных систем. Однако почти все они были обнаружены другим методом — по вариации времени затмений.

Дело в том, что если внутренняя пара является затменной двойной (звезды периодически заслоняют друг друга), то гравитационное влияние внешней третьей звезды заставляет моменты этих затмений немного сдвигаться. Анализируя эти сдвиги, астрономы и находили третье тело.

Уникальность G1010 в том, что она была открыта исключительно спектроскопическим методом, еще до того, как стало известно о ее затменной природе. Более того, она не попала в основные каталоги затменных двойных TESS, что сделало ее скрытым сокровищем, которое удалось найти лишь благодаря целенаправленному поиску компактных объектов.

Часть 4: Как «разглядеть» тройную систему: методы и инструменты

Комбинация данных: сила синергии

Открытие G1010 — блестящий пример того, как современная астрономия комбинирует данные из разных источников:

Gaia DR3: Предоставил первоначальный «наводящий» сигнал о двойственности и параметры внешней орбиты.
Наземная спектроскопия (HIDES/«Субару»): Подтвердила орбитальное движение и, что самое главное, выявила тонкую спектральную сигнатуру внутренней двойной системы.
Космический телескоп TESS: После открытия астрономы «вернулись» к архиву фотометрических данных TESS и нашли четкие периодические провалы в блеске — затмения внутренней пары с периодом 18.26 дней. Эти данные позволили с высокой точностью определить параметры внутренней орбиты и наклонение системы.

Почему это сложно: вызовы наблюдений

Обнаружение таких систем — технически сложная задача. Внешний орбитальный период в сотни дней требует наблюдений, растянутых на годы. Внутренняя двойная система имеет слишком маленькое угловое разделение, чтобы его можно было увидеть даже в самые мощные телескопы. Ее звезды также слишком тусклы по сравнению с первичной, чтобы их индивидуальные спектры были видны явно. Их присутствие выдал лишь сложный анализ формы спектральных линий первичной звезды — метод, требующий высочайшего качества данных.

Часть 5: Значение открытия и будущие перспективы

Новый путь для открытий

Открытие G1010 доказывает, что компактные иерархические тройные системы можно эффективно находить не только по вариациям затмений, но и с помощью целенаправленных спектроскопических обзоров, которые изначально нацелены на другие цели (например, поиск черных дыр). Это открывает новый канал обнаружения подобных экзотических объектов.

Проверка на прочность для теорий звездной эволюции

Такие тесные тройные звездные системы являются естественными лабораториями для изучения звездной динамики и эволюции. Они ставят вопросы:

Как образовались настолько тесные системы с двумя уровнями орбит?
Насколько они стабильны в долгосрочной перспективе?
Может ли в будущем гравитационное взаимодействие привести к слиянию внутренней пары или даже к выбросу одной из звезд?

Наличие надежно измеренных масс всех трех компонентов, как в случае G1010, делает ее ценнейшим объектом для проверки теоретических моделей.

Будущее: что ждет нас с Gaia DR4 и DR5

Авторы исследования подчеркивают, что их открытие — лишь верхушка айсберга. С выходом следующих релизов данных Gaia (DR4 и DR5), которые будут содержать еще более точные астрометрические и спектроскопические данные для миллионов звезд, количество кандидатов в подобные системы взлетит до небес. Методика, опробованная на G1010, позволит эффективно отсеивать «ложные» кандидаты в черные дыры и нейтронные звезды и пополнять каталог редких и удивительных компактных тройных систем.

История открытия тройной звездной системы G1010 — это прекрасная иллюстрация научного процесса: от выдвижения смелой гипотезы (поиск невидимой черной дыры) через тщательные наблюдения и обнаружение аномалий к пересмотру первоначальной идеи и открытию чего-то нового и не менее интересного. Вместо одинокого «космического призрака» астрономы нашли сложный, динамичный и гравитационно связанный ансамбль из трех солнц. Это открытие не только обогатило нашу карту Галактики, но и показало эффективность нового метода поиска, предвещая множество будущих открытий в эпоху больших астрономических данных.