Международный консорциум астрономов, в том числе сотрудники Института астрономии Макса Планка, успешно разгадал сложные механизмы образования неуловимых черных дыр промежуточной массы. Они могут представлять собой связующее звено между своими меньшими родственниками, звездными черными дырами, и сверхмассивными гигантами, населяющими центры галактик. Это достижение является результатом проекта моделирования DRAGON-II, возглавляемого Научным институтом Гран-Сассо. Ученые, участвовавшие в этом исследовании, рассчитали сложные взаимодействия звезд, звездных черных дыр и физические процессы внутри плотных звездных скоплений, продемонстрировав, что в этих средах могут возникать черные дыры массой до нескольких сотен солнечных масс. Поиски и понимание происхождения черных дыр промежуточной массы (ЧДД) остаются постоянной загадкой. Если они существуют, то могут служить связующим звеном между двумя крайностями черных дыр. На границе с малой массой мы наблюдаем звездные черные дыры, остатки взрывов сверхновых массивных звезд в конце их жизни.
С другой стороны, мы находим черные дыры в центрах галактик, в миллионы или даже миллиарды раз массивнее Солнца. Формирование и рост этих объектов до сих пор представляют собой увлекательную загадку для современной астрономии, главным образом из-за отсутствия однозначного доказательства существования таких черных дыр. Астрономы ожидают найти их в плотных и многолюдных звездных скоплениях. «Черные дыры промежуточной массы трудно наблюдать», — объясняет Мануэль Арка Седда из Научного института Гран-Сассо (GSSI) в Аквиле, Италия, и главный автор основной исследовательской статьи, опубликованной в «Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества». Общество. «Нынешние пределы наблюдений не позволяют нам ничего сказать о населении черных дыр промежуточной массы с массами от 1000 до 10 000 солнечных масс, и они также представляют собой головную боль для ученых относительно возможных механизмов, которые приводят к их образованию».
Чтобы преодолеть этот недостаток, международная группа под руководством Арки Седды и в том числе Альбрехта Камлаха из Института астрономии Макса Планка в Гейдельберге, Германия (MPIA) предприняли инновационную серию численного моделирования звездных скоплений с высоким разрешением, известную как ДРАКОН- II кластерная база данных. В этом начинании астрономы открыли потенциальный путь образования черных дыр промежуточной массы внутри молодых, густонаселенных и массивных звездных скоплений. Эти новаторские модели должны были вычислить последовательность сложных взаимодействий между обычными одиночными и двойными звездами, приводящих к столкновениям и формированию все более массивных звезд, которые в конечном итоге превращаются в IMBH. На этом этапе эти черные дыры могут продолжать включать в себя дополнительные массивные звезды и черные дыры, что приведет к росту массы до нескольких сотен солнечных. Оказывается, ни один путь не ведет к черной дыре промежуточной массы. Вместо этого астрономы обнаружили сложный диапазон взаимодействий и слияний событий.
Моделируемые звездные скопления населяют до миллиона звезд, доля двойных звезд в которых варьируется от 10% до 30%. «Смоделированные скопления точно отражают реальные аналоги, наблюдаемые в Млечном Пути, Магеллановых облаках и различных галактиках в нашей локальной Вселенной», — отмечает Камлах.Отслеживая последующую судьбу черной дыры промежуточной массы в этих симуляциях, астрономы определили турбулентный период, отмеченный активными взаимодействиями с другими звездами и звездными черными дырами, который может привести к ее быстрому изгнанию из родительского скопления, обычно в течение нескольких сто миллионов лет. Этот выброс эффективно ограничивает дальнейший рост заднего отверстия. Вычислительные модели показывают, что, хотя зародыши IMBH естественным образом возникают в результате энергичных звездных взаимодействий внутри звездных скоплений, их тенденция к достижению большей массы, превышающей несколько сотен солнечных масс, зависит от исключительной плотности или массивности окружающей среды.
Тем не менее, ключевая научная загадка остается нерешенной: служат ли черные дыры промежуточной массы недостающим звеном между своими меньшими звездными аналогами и колоссальными сверхмассивными черными дырами. На данный момент этот вопрос остается без ответа, но исследование открывает простор для обоснованных предположений. «Для лучшего разъяснения нам нужны два ингредиента, — объясняет Арка Седда, — один или несколько процессов, способных образовывать черные дыры промежуточной массы и возможность удерживать их в окружающей среде». Исследование накладывает строгие ограничения на первый ингредиент, представляя четкий обзор того, какие процессы могут способствовать образованию IMBH. Рассмотрение более массивных скоплений, содержащих больше двойных звезд, может помочь получить второй ингредиент в будущем, хотя это и предъявляет сложные требования для последующего моделирования. Интересно, что звездные скопления, образовавшиеся в ранней Вселенной, могут обладать подходящими качествами для поддержания роста IMBH. Будущие наблюдения таких древних звездных скоплений, например, с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) и разработка новых теоретических моделей могут помочь распутать взаимосвязь между черными дырами промежуточной массы и сверхмассивными.
