(Изображение предоставлено: ESA/C.
Carreau)
Астрономы обнаружили, что необычная оптическая вспышка является результатом того, что звезда разрывается на части и поглощается черной дырой — и эта черная дыра, по-видимому, является примером неуловимой «черной дыры средней массы», класса этих объектов, который бросал вызов астрономам на протяжении десятилетий.
Астрономы обнаружили, что необычная оптическая вспышка — это результат того, что звезда была разорвана на части и поглощена чёрной дырой. Что действительно отличает это так называемое событие приливного разрушения (Tidal Disruption Event; TDE) от других, так это то, что задействованная чёрная дыра, по всей видимости, является примером неуловимой «чёрной дыры промежуточной массы» — класса объектов, который десятилетиями ставил астрономов в тупик.
TDE обычно возникают, когда звезды приближаются слишком близко к сверхмассивным черным дырам, расположенным в центре крупных галактик. В результате огромная гравитация этих космических гигантов одновременно сплющивает звездное тело по горизонтали и растягивает его по вертикали. В результате такого «спагеттификации» вокруг черной дыры образуется звездная «лапша». Часть остатков попадает в центральную черную дыру, а большая часть улетает со скоростью, близкой к скорости света, в виде высокоэнергетических струй. Для того чтобы эти явления прекратились, могут потребоваться сотни дней или даже годы.
Эта оптическая вспышка, получившая обозначение AT2022zod, была зафиксирована в октябре 2022 года и длилась чуть больше месяца. Она была связана с галактикой SDSS J105602.80+561214.7, расположенной примерно в 1,5 миллиарде световых лет от Земли. Интересным было то, что выброс вещества произошёл примерно в 10 000 световых годах от центра этой галактики, где находится сверхмассивная чёрная дыра. Это был первый намек на то, что дело не в центральной сверхмассивной черной дыре, а в нецентральной черной дыре промежуточной массы.
AT2022zod обладает характеристиками TDE — вспышки, которую мы наблюдаем, когда звезда разрывается на части при взаимодействии с черной дырой. Такие события, как правило, нечасто встречаются, но, поскольку мы предполагаем, что в центре почти каждой галактики находится сверхмассивная чёрная дыра, можно ожидать, что в центре галактики, в которой она находится, будут наблюдаться выбросы тёмной материи, — рассказала Space.com руководитель группы исследователей Кристен Дэйдж из Университета Кертина, Австралия. — Однако AT2022zod находится немного в стороне от ядра и очень короткий по сравнению с ранее наблюдавшимися выбросами тёмной материи, но при этом очень мощный.
При наблюдении на таком большом расстоянии транзиенты обычно длятся сотни дней, поэтому тот факт, что AT2022zod наблюдался в течение месяца, с 13 октября по 18 ноября, весьма необычен. «Тот факт, что черная дыра находится в эллиптической галактике, в которой, как известно, много звездных скоплений, при этом она расположена вне ядра и существует недолго, натолкнул нас на мысль, что это может быть одна из неуловимых черных дыр промежуточной массы, которые могут существовать за пределами центра галактики, и, что еще важнее, открывает новые возможности для их поиска и изучения», — продолжил Дэйдж.
Промежуточные черные дыры как посредники в космосе
Считается, что масса сверхмассивных черных дыр в миллионы или миллиарды раз превышает массу Солнца, в то время как масса черных дыр звездной массы, которые образуются в результате гибели массивных звезд, составляет от трех до сотен масс Солнца. Таким образом, между этими двумя типами черных дыр существует огромный диапазон масс, в котором, как считается, находятся черные дыры промежуточной массы. Поскольку считается, что сверхмассивные черные дыры образуются в результате слияния все более массивных черных дыр, разумно предположить, что черные дыры средней массы играют ключевую роль в этом процессе. Это означает, что черные дыры с такой массой должны встречаться в космосе довольно часто, однако астрономам было очень непросто их обнаружить.
«Думаю, сложно переоценить то, насколько плохо у нас обстоят дела с обнаружением черных дыр промежуточной массы. Мы отлично справляемся с поиском сверхмассивных черных дыр, а благодаря детекторам гравитационных волн LIGO-Virgo-Kagra у нас стало получаться лучше находить черные дыры звездной массы, но я могу по пальцам пересчитать кандидатов в черные дыры промежуточной массы, по поводу которых в астрономическом сообществе сложилось единое мнение», — сказал Дэйдж. «До сих пор было известно, что выбросы вещества из черных дыр промежуточных масс существуют, но их очень сложно наблюдать. Чаще всего они остаются незамеченными на фоне других процессов в центральной области галактики».
(Изображение предоставлено Робертом Ли (создано с помощью Canva))
Астрономы могут отличить TDE, вызванные промежуточными черными дырами, от тех, которые возникают, когда сверхмассивные черные дыры поглощают звезды, по месту их возникновения и продолжительности. «Исходя из наших нынешних представлений о поведении транзиентных двойных рентгеновских источников, мы знаем, что продолжительность события зависит от массы черной дыры, поэтому при прочих равных условиях более короткий временной интервал указывает на черные дыры с меньшей массой, — говорит Дэйдж. — Я убедился в том, что AT2022zod — особенный объект, когда сравнил его с другими транзиентными двойными рентгеновскими источниками на таком же расстоянии или с такими же галактиками-хозяевами, и он не соответствовал их поведению».
Обнаружение этого внецентрового выброса вещества может также дать больше информации об окружающей среде, в которой находится черная дыра промежуточной массы. Например, очевидно, что выбросы вещества гораздо чаще происходят в областях с высокой плотностью звезд. «Если вы находитесь не в каком-нибудь звездном скоплении, как правило, в центральном ядре галактики, то у вас просто не будет выброса вещества из-за гравитационного линзирования, потому что вероятность того, что какая-то звезда окажется рядом с черной дырой, слишком мала», — сказал Дэйдж. Такая плотность звезд наблюдается в центре галактик, но есть и нецентральные области галактик, в которых звезды также плотно прилегают друг к другу.
Неудавшиеся сверхмассивные черные дыры?
По мнению исследователей, это столкновение произошло в шаровом скоплении или ультракомпактной карликовой галактике (УКГ) в самой системе SDSS J105602.80+561214.7. И шаровые скопления, и УКГ представляют собой плотно упакованные конгломераты древних звезд, доживающих свой век. «По сути, эти системы являются фабриками по производству черных дыр, а их густонаселенные и динамичные системы дают возможность черным дырам сливаться и расти до промежуточных масс, особенно в результате катастрофических столкновений звезд, — говорит Дэйдж. — Если добавить к этому данные наблюдений за кинематикой черных дыр в ультракомпактных галактиках, то можно с уверенностью сказать, что в них могут образовываться черные дыры промежуточных масс!»
Происхождение ультракомпактных скоплений до сих пор окутано тайной. Эти плотные звездные скопления могут возникать в результате сближения, столкновения и слияния двух шаровых скоплений, а также могут представлять собой карликовые галактики, лишившиеся внешних звезд и превратившиеся в компактные и плотные ядра галактик. «Эти два разных сценария формирования имеют совершенно разные последствия для эволюции черных дыр. Если это ядра галактик, то это «неудавшиеся» сверхмассивные черные дыры, которые сформировались по тому же принципу, что и сверхмассивные черные дыры и крупные галактики, — объяснил Дэйдж. — Если же это просто большие шаровые скопления, то все может быть совсем по-другому, и динамика играет важную роль в формировании и эволюции черных дыр».
По словам Дэйдж, ученым известно, что в эллиптических галактиках есть как звездные системы шаровых скоплений, так и ультракомпактные скопления, но в данном случае галактика-хозяин находится так далеко, что команда не может точно определить, в какой среде находится AT2022zod. «Мы знаем только, что это какое-то звездное скопление», — сказала Дэйдж. «Лично я был бы рад, если бы она находилась в шаровом скоплении, но, судя по тому, что мы знаем о более близких к нам системах, сверхкомпактная галактика вполне может быть местом обитания такой системы в нашей Вселенной». Она добавила, что многие исследования физики ультракомпактных скоплений показывают, что в них находятся черные дыры с массой, близкой к массе AT2022zod. К таким скоплениям относится система в Млечном Пути под названием Омега Центавра, хотя, как отметила Дэйдж, до сих пор ведутся споры о том, является ли это плотное звездное скопление в нашей галактике ультракомпактным или шаровым.
O’Mullane)
Несмотря на то, что окружающая среда TDE AT2022zod в обозримом будущем может так и остаться загадкой, исследование команды может стать столь необходимой отправной точкой для поиска промежуточных черных дыр, что станет особенно актуально, когда Обсерватория Веры К. Рубин начнет десятилетний проект Legacy Survey of Space and Time (LSST).
«»Рубин» способен оказать огромное влияние на науку — он обеспечит невероятно чувствительное 10-летнее оптическое наблюдение за миллионами звездных скоплений в радиусе 330 миллионов световых лет и должен быть чувствителен к популяциям транзиентных двойных звезд, находящихся в плотных звездных средах, — заключил Дэйдж. — Нам просто нужно убедиться, что мы ищем в нужных местах, что мы можем оперативно проводить последующие наблюдения, чтобы лучше понять физику и систему, в которой они находятся, и что мы сможем интерпретировать то, что видим».
Результаты работы команды доступны на сайте репозитория научных статей arXiv.
автор: Роберт Ли — научный журналист из Великобритании, его статьи публиковались в журналах Physics World, New Scientist, Astronomy Magazine, All About Space, Newsweek и ZME Science.