Снимок центральной части шарового звездного скопления Омега Центавра, на правой панели показано предполагаемое местонахождение черной дыры средней массы. Учитывая, что Омега Центавра, скорее всего, представляет собой останки карликовой галактики, которую Млечный Путь поглотил в прошлом, наличие массивного объекта в центре скопления ожидаемо. Ранее предполагалось, что этот объект — скопление черных дыр звездной массы, однако новые данные показывают, что это вероятнее всего IMBH / ESA, Hubble, NASA, Maximilian Häberle (MPIA)
Теория относительности допускает существование черных дыр любой массы — главное, чтобы материя оказалась упакованной в достаточно компактном объеме. Во Вселенной, однако, встречаются черные дыры лишь двух классов: сверхмассивные и звездной массы, промежуток между которыми загадочно пустует. Поиск таких «средних» черных дыр крайне важен для космологии, поскольку позволит ответить на несколько ключевых вопросов мироздания. И за последний месяц в Млечном Пути нашлось сразу два многообещающих кандидата в черные дыры средней массы.
Наиболее распространенное описание процесса рождения черной дыры — коллапс звезды на финальных стадиях ее существования — касается лишь появления черных дыр звездной массы. Они образуются из светил, которые как минимум впятеро раз тяжелее Солнца, но чаще обладающих массой от 10 до 150 солнечных. Не все вещество звезды коллапсирует, так что такие черные дыры имеют массу от трех до 130 солнечных, редко обладают постоянным аккреционным диском и поэтому невидимы.
Тем не менее в существовании черных дыр звездной массы астрофизики не сомневаются. Некоторое количество таких объектов — часть двойных систем со звездой, чье вещество они «воруют», в результате получается рентгеновская двойная звезда. Их только в нашей Галактике обнаружено порядка полусотни. Также черные дыры звездной массы раскрывают себя, когда сталкиваются друг с другом или другими темными объектами — от подобных событий расходятся гравитационные волны.
Со сверхмассивными черными дырами ситуация обратная: это самые заметные объекты во Вселенной, но как они формируются — вопрос открытый. При массе от 100 тысяч до десятков миллионов солнечных они должны были поглощать материю с огромной скоростью, чтобы успеть образовать ядра галактик уже на заре существования Вселенной.
Одна из наиболее проработанных гипотез гласит, что сверхмассивные черные дыры растут за счет объединения меньших черных дыр друг в друга. По этой логике, во Вселенной должно быть сравнительно много промежуточных черных дыр массой от сотен до десятков тысяч солнечных.
Беда в том, что кандидатов в такие объекты астрономия знает едва ли десяток, и подтверждение их статуса проблематично. Обнаружить черную дыру средней массы (intermediate-mass black hole, IMBH) так же непросто, как и звездной массы, только их статистически меньше. Гравитационные обсерватории еще не засекли ни одной, рентгеновские двойные с IMBH неизвестны, остаются только наблюдения за аномалиями в движениях газопылевых облаков и звезд в скоплениях.
Последний метод позволил сделать два кандидата в черные дыры средней массы наиболее достоверными из всех известных, причем они оба находятся в Млечном Пути.
Первый — в шаровом звездном скоплении Омега Центавра, которое расположено на расстоянии 17 тысяч световых лет от Земли. Оно состоит более чем из 10 миллионов звезд, это крупнейшее звездное скопление в нашей Галактике.
Наличие IMBH в Омеге Центавра впервые предположили 16 лет назад, но каких-либо достоверных данных, подтверждающих это, тогда не было. Согласно новой научной работе, опубликованной в рецензируемом научном журнале Nature, теперь необходимые доказательства есть.
Это все еще не прямые, а косвенные наблюдения, но благодаря обработке большого массива данных кандидата в черную дыру средней массы в Омеге Центавра можно назвать едва ли не наиболее достоверным из всех.
Ученые проанализировали 500 изображений звездного скопления, сделанных на протяжении 20 лет наблюдений космическим телескопом Хаббла. Они определили скорость движения 1,4 миллиона звезд в нем и нашли семь, которые выдали IMBH — они двигаются так быстро и по таким траекториям, что объяснить это можно лишь влиянием компактного объекта массой не менее 8200 солнечных.
Черные дыры средней массы в Млечном Пути
Слева — комбинированное изображение GCIRS 13E (центр скопления отмечен как IRS13), расположенного неподалеку от Стрельца A* (отмечен, как SgrA*). В центре и справа — изображения GCIRS 13E в разных радиодиапазонах, кандидат в черную дыру средней массы отмечен точкой E3, большой салатовый круг показывает сферу Хилла этой IMBH, из которого приливными силами выброшен поток горячего газа, образующий связку (ridge) с объектом IRS 2L / © The Evaporating Massive Embedded Stellar Cluster IRS 13 Close to Sgr A*. II. Kinematic Structure, Florian Peißker et al 2024 ApJ 970 74, DOI:10.3847/1538-4357/ad4098
Другая команда исследователей изучала еще одного давно известного кандидата в черные дыры средней массы — пока безымянный объект в скоплении GCIRS 13E. Оно находится в 27 тысячах световых лет от Земли и всего в 0,1 светового года от Стрельца A, сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути.
Именно поэтому наличие IMBH в GCIRS 13E столь интересно: вероятнее всего, мы наблюдаем процесс «кормления» Стрельца A, формирующий его колоссальную массу.
В научной работе, которая опубликована в The Astrophysical Journal, использованы данные наблюдений сразу нескольких обсерваторий: Very Large Telescope (VLT), Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) и космического рентгеновского телескопа Chandra. На их основе ученые выделили траектории 50 звезд, указывающих на существование черной дыры средней массы в GCIRS 13E. Она примерно в 30 тысяч раз тяжелее Солнца и окружена потоком горячего газа.
Подробное изучение кандидатов в черные дыры средней массы позволит уточнить их природу, подтвердить или опровергнуть само существование IMBH во Вселенной. В любом случае ученые получат больше информации о том, где искать недостающее звено в эволюции сверхмассивных черных дыр, без которых существование крупных галактик трудно вообразить. Более того, чем больше мы знаем о промежуточных черных дырах, тем полнее наше понимание космологии.