Мы традиционно представляем себе чёрные дыры как объекты, прочно усевшиеся в центрах галактик. Именно там они получают достаточное количество вещества для роста и формируют активные ядра, способные излучать колоссальные потоки энергии. Однако недавнее исследование, проведенное группой под руководством доктора Ань Тао из Шанхайской астрономической обсерватории Китайской академии наук, показало, что это правило не всегда работает.
Астрономы подтвердили существование блуждающей черной дыры в карликовой галактике на расстоянии около 230 миллионов световых лет (красное смещение z ≈ 0,017). В отличие от большинства известных случаев, эта черная дыра расположена не в центре галактики, а смещена почти на килопарсек или примерно 3 тысячи световых лет. Более того, объект демонстрирует активность, так как аккрецирует вещество и выбрасывает радиоджеты.
Черные дыры вне центров галактик
В популярной картине мира черные дыры представляют собой как бы сердце галактики. Но всё больше данных указывает на то, что часть из них не находится в центре, а дрейфует по дискам галактик и их окраинам. Такие объекты называют блуждающими чёрными дырами. Особенно часто подобное поведение можно ожидать в карликовых галактиках, так как их малые размеры и слабые гравитационные силы не всегда удерживают массивные объекты на месте. Слияния и активные процессы взаимодействия могут выбрасывать чёрные дыры на значительные расстояния от ядра. Теоретические модели предсказывали подобные случаи, но прямые доказательства существования подобных объектов долгое время отсутствовали.
Обнаружение в MaNGA 12772-12704
Исследование было сосредоточено на карликовой галактике MaNGA 12772-12704. Первые признаки активности выявили по данным обзора MaNGA (Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory), который фиксирует спектры различных областей галактик. При том, что сама галактика выглядит довольно обычной, упорядоченной и не показывает следов недавних слияний, радиоисточник оказался смещён от её центра почти на килопарсек.
Подтверждение пришло с помощью радиоинтерферометра VLBA (Very Long Baseline Array), работающего на частотах 1,6 и 4,9 ГГц. Наблюдения показали компактное ядро с температурой яркости выше миллиарда кельвинов, а это характерный признак активного ядра галактики. На частоте 1,6 ГГц была обнаружена структура джета протяженностью около 2,2 парсека (7 световых лет).
Кроме того, учёные проанализировали архивные данные, охватывающие 30-летний период. Выяснилось, что источник имел переменную яркость, свет то усиливался, то ослабевал, что характерно для чёрных дыр, поглощающих вещество. Такое поведение резко отличает его от остатков сверхновых, которые постепенно и предсказуемо тускнеют. Масса чёрной дыры, оценённая по характеристикам галактики, составляет примерно 300 тысяч солнечных масс, что помещает её в разряд чёрных дыр промежуточной массы.
Среди более чем 3000 карликовых галактик из выборки MaNGA признаки активности наблюдаются примерно у 600. В некоторых случаях излучение также смещено относительно центра. Но только в MaNGA 12772-12704 удалось зафиксировать все три признака одновременно - компактное ядро, джет на парсековых масштабах и многолетнюю переменность. Таким образом, это первый надёжно подтверждённый пример блуждающей чёрной дыры в карликовой галактике на столь малом расстоянии от Земли.
Новое понимание роста чёрных дыр
Принято считать, что сверхмассивные чёрные дыры растут главным образом в центрах галактик, где сосредоточены большие запасы газа. Но новый результат показывает, что и смущённые объекты способны к устойчивой аккреции и генерации джетов. Это дает прямое подтверждение гипотезе о том, что чёрные дыры могут накапливать массу и вне ядер, а значит, их быстрый рост в ранней Вселенной мог происходить множественными очагами.
Кроме того, даже находясь у урая галактики, такие объекты способны оказывать заметное влияние на окружающее их пространство. Джеты и излучение могут нагревать газ, подавлять или, наоборот, стимулировать звездообразование, изменяя динамику карликовых систем.
Это открытие переводит блуждающие чёрные дыры из области теоретических предположений в область наблюдательной астрономии. С появлением более чувствительных радиотелескопов, таких как FAST в Китае и будущий SKA (Square Kilometre Array), можно ожидать открытия множества подобных объектов, включая источники с ещё меньшими потоками излучения. Оптические телескопы нового поколения позволят уточнить их положение в структурах галактик и исследовать влияние на межзвёздные среду.
Вероятно, в ближайшие десятилетия мы узнаем, что блуждающие чёрные дыры вовсе не редкость, а распространённое явление, играющее важную роль в эволюции галактик.