Сверхмассивные черные дыры (СМЧД) находятся в центре галактик, подобных Млечному Пути. Они невероятно массивны - от 1 миллиона до 10 миллиардов солнечных масс. Их меньшие собратья, черные дыры промежуточной массы (IMBH), в диапазоне от 100 до 100 000 солнечных масс, найти труднее.
Астрономы заметили черную дыру промежуточной массы, разрушающую звезду, которая подошла слишком близко. Они многому научились из своих наблюдений и надеются найти еще больше таких черных дыр. Наблюдение за ними может привести к пониманию того, почему сверхмассивные чёрные дыры стали такими массовыми.
Когда звезда приближается к мощной черной дыре, происходит событие приливного разрушения (TDE). Звезда разрывается на части, и составляющая ее материя притягивается к черной дыре, где попадает в аккреционный диск дыры . Это событие высвобождает огромное количество энергии, затмевая все звезды в галактике на месяцы и даже годы.
Именно это произошло с TDE 3XMM J215022.4-055108, более известным как TDE J2150. Астрономы смогли обнаружить неуловимую ЧДМ только из-за вспышки рентгеновского излучения, испускаемого горячим газом звезды, когда она разорвалась на части. J2150 находится примерно в 740 миллионах световых лет от Земли в направлении созвездия Водолея. Теперь команда исследователей использовала наблюдения далекой J2150 и существующие научные модели, чтобы узнать больше о IMBH.
Они опубликовали свои результаты в статье под названием « Ограничения массы, вращения и сверхлегкого бозона из черной дыры средней массы в приливном разрушении 3XMM J215022.4? 055108 ». Ведущий автор - Сиксанг Вен из Университета Аризоны. Статья опубликована в The Astrophysical Journal.
«Тот факт, что мы смогли поймать эту невидимую черную дыру, когда она пожирала звезду, дает замечательную возможность наблюдать то, что в противном случае было бы невидимым».
Энн Заблудофф, соавтор Университета Аризоны.
IMBH неуловимы и трудны для изучения. Астрономы нашли несколько из них в Млечном Пути и близлежащих галактиках. В основном они были замечены из-за их активных ядер галактик с низкой светимостью. В 2019 году обсерватории гравитационных волн LIGO и Virgo обнаружили гравитационную волну от слияния двух ЧД. В настоящее время существует каталог только из 305 кандидатов в IMBH, хотя ученые считают, что они могут быть обычным явлением в галактических центрах.
Одна из проблем при их наблюдении - это сама их малая масса. В то время как СМЧД можно обнаружить, наблюдая, как их масса влияет на звездную динамику соседних звезд, МЧД обычно слишком малы, чтобы делать то же самое. Их гравитация недостаточно сильна, чтобы изменить орбиты ближайших звезд.
«Тот факт, что мы смогли поймать эту черную дыру, когда она пожирала звезду, дает замечательную возможность наблюдать то, что в противном случае было бы невидимым», - сказала Энн Заблудофф, профессор астрономии УАризоны и соавтор статьи. «Более того, анализируя вспышку, мы смогли лучше понять эту неуловимую категорию черных дыр, которая вполне может составлять большинство черных дыр в центрах галактик».
Это изображение J2150 в белом круге, полученное телескопом Хаббла. Он расположен внутри плотного звездного скопления на расстоянии около 740 миллионов световых лет от нас. Рентгеновское излучение от TDE использовалось, чтобы обнаружить IMBH, но возможности Хаббла в видимом свете были необходимы, чтобы точно определить ее местоположение. Кредит изображения: НАСА, ЕКА и Д. Линь (Университет Нью-Гэмпшира)
Это изображение J2150 в белом круге, полученное телескопом Хаббла. Он расположен внутри плотного звездного скопления на расстоянии около 740 миллионов световых лет от нас. Рентгеновское излучение от TDE использовалось, чтобы обнаружить IMBH, но возможности Хаббла в видимом свете были необходимы, чтобы точно определить ее местоположение. Кредит изображения: НАСА, ЕКА и Д. Линь (Университет Нью-Гэмпшира)
Это событие стало заметным благодаря рентгеновскому излучению. Команда сравнила наблюдаемые рентгеновские снимки с моделями и смогла подтвердить наличие IMBH. «Рентгеновское излучение внутреннего диска, образованного обломками мертвой звезды, позволило нам определить массу и вращение этой черной дыры и классифицировать ее как промежуточную черную дыру», - сказал ведущий автор Вэнь Цзябао.
Это первый случай, когда наблюдения были достаточно подробными, чтобы можно было использовать вспышку TDE для подтверждения присутствия IMBH. Это большое дело, потому что, хотя мы знаем, что СМЧД находятся в центре галактик, подобных Млечному Пути и более крупным, наше понимание меньших галактик и их ПМЧД гораздо более ограничено. Их просто очень трудно увидеть.
«Мы все еще очень мало знаем о существовании черных дыр в центрах галактик размером меньше Млечного Пути», - сказал соавтор Питер Йонкер из Университета Радбауд и Нидерландского института космических исследований SRON, расположенных в Нидерландах. «Из-за ограничений наблюдений сложно обнаружить центральные черные дыры, масса которых намного меньше 1 миллиона солнечных масс».
Тайна, окружающая IMBH, подпитывается тайной, окружающей SMBH. Мы можем видеть сверхмассивные чёрные дыры в центре больших галактик, но мы не знаем точно, как они стали такими массивными. Проходили ли они слияния? Может быть. Через наращивание материи? Может быть. Астрофизики в основном согласны с тем, что оба механизма могут играть роль.
Другой вопрос связан с «семенами» SMBH. Зародыши могут быть IMBH массами в десятки или сотни солнечных масс. Сами ЧДД могли возникнуть из черных дыр звездной массы, которые превратились в ЧДД в результате аккреции вещества. Другая возможность состоит в том, что задолго до того, как появились настоящие звезды, были большие газовые облака, которые коллапсировали в квазизвезды, а затем коллапсировали в черные дыры. Эти странные сущности будут коллапсировать прямо из квазизвезды в черную дыру, никогда не становясь звездой, и известны как черные дыры с прямым коллапсом . Но это все гипотезы и модели. Астрофизикам нужно больше реальных наблюдений, как в случае с TDE J2150, чтобы подтвердить или исключить что-либо.
«Следовательно, если мы получим лучшее представление о том, сколько существует настоящих промежуточных черных дыр, это может помочь определить, какие теории образования сверхмассивных черных дыр верны», - сказал Джонкер.
Иллюстрация этого художника изображает то, что астрономы называют «приливным разрушением» или TDE, когда объект, такой как звезда, движется слишком близко к черной дыре и разрушается приливными силами, создаваемыми интенсивными гравитационными силами черной дыры. (Источник: NASA / CXC / M.Weiss.
Иллюстрация этого художника изображает то, что астрономы называют «приливным разрушением» или TDE, когда объект, такой как звезда, движется слишком близко к черной дыре и разрушается приливными силами, создаваемыми интенсивными гравитационными силами черной дыры. (Источник: NASA / CXC / M.Weiss.
Команда исследователей также смогла измерить спин черной дыры, который имеет значение для роста черной дыры и, возможно, для физики элементарных частиц. Черная дыра вращается быстро, но не так быстро, как это возможно. Возникает вопрос, как IMBH достигла скорости в этом диапазоне? Вращение открывает одни возможности и исключает другие.
«Возможно, черная дыра образовалась таким образом и с тех пор не сильно изменилась, или две черные дыры средней массы недавно слились, чтобы сформировать эту», - сказал Заблудофф. «Мы действительно знаем, что измеренное нами вращение исключает сценарии, когда черная дыра растет в течение длительного времени из-за постоянного поедания газа или из-за множества быстрых газовых закусок, которые прибывают со случайных направлений».
Скорость вращения может также пролить свет на потенциальных кандидатов в частицы темной материи. Одна из гипотез гласит, что темная материя состоит из частиц, которые никогда не наблюдались в лаборатории, называемых сверхлегкими бозонами. Эти экзотические частицы, если они существуют, имели бы массу менее одной миллиардной массы электрона. Скорость вращения IMBH может исключить существование этих кандидатов в частицы.
«Если эти частицы существуют и имеют массы в определенном диапазоне, они предотвратят быстрое вращение черной дыры промежуточной массы», - сказал соавтор Николас Стоун. «Тем не менее, черная дыра J2150 быстро вращается. Итак, наше измерение спина исключает широкий класс теорий сверхлегких бозонов, демонстрируя ценность черных дыр как внеземных лабораторий для физики элементарных частиц ».
Это открытие также поможет лучше понять карликовые галактики и их черные дыры. Но для того, чтобы это произошло, астрофизикам необходимо наблюдать больше событий, связанных с приливными разрушениями IMBH.
«Если окажется, что большинство карликовых галактик содержат черные дыры промежуточной массы, то они будут доминировать в скорости звездных приливных разрушений», - сказал Стоун. «Подгоняя рентгеновское излучение от этих вспышек к теоретическим моделям, мы можем провести перепись населения черных дыр промежуточных масс во Вселенной», - добавил Вен.
Как это часто бывает в астрономии, астрофизике и космологии, будущие телескопы и обсерватории должны значительно расширить наши знания. В этом могла бы сыграть роль обсерватория Веры К. Рубин . «Рубин» мог открывать тысячи TDE каждый год.
Тогда мы, наконец, сможем собрать воедино историю не только IMBH, но и SMBH.
