Недостающее звено в формировании массивных черных дыр
Недавно обнаруженные быстро движущиеся звезды в звездном скоплении Омега Центавра являются убедительным доказательством существования центральной черной дыры в этом скоплении. Обладая массой не менее 8200 масс Солнца, она является лучшим кандидатом для класса черных дыр, существование которых астрономы долгое время считали возможным: черных дыр средней массы, образовавшихся на ранних стадиях эволюции галактик.
Это открытие подтверждает гипотезу о том, что Омега Центавра является центральной областью галактики, которая была поглощена Млечным Путем миллиарды лет назад. С тех пор, лишенное внешних звезд, это ядро галактики остается "застывшим во времени". Исследование было опубликовано в журнале Nature.
Омега Центавра - это впечатляющая коллекция из примерно 10 миллионов звезд, видимых в виде пятна на ночном небе из южных широт. В небольшой телескоп оно выглядит ничем не отличающимся от других так называемых шаровых скоплений: сферическое скопление звезд, настолько плотное к центру, что становится невозможно различить отдельные звезды.
Но теперь новое исследование, проведенное под руководством Максимилиана Хеберле (Институт астрономии Макса Планка), подтверждает то, о чем астрономы подозревали в течение некоторого времени: Омега Центавра содержит центральную черную дыру.
Черная дыра, по-видимому, является "недостающим звеном" между своими звездными и сверхмассивными сородичами: застряв на промежуточной стадии эволюции, она значительно менее массивна, чем типичные черные дыры в центрах галактик. Омега Центавра, по-видимому, является ядром небольшой отдельной галактики, эволюция которой была прервана, когда ее поглотил Млечный Путь.
Масса черных дыр различна
В астрономии черные дыры бывают разных масс. Хорошо известны звездные черные дыры массой от одной до нескольких десятков солнечных масс, а также сверхмассивные черные дыры с массами в миллионы или даже миллиарды солнц.
Наша нынешняя картина эволюции галактик предполагает, что у самых ранних галактик должны были быть центральные черные дыры среднего размера, которые со временем увеличивались по мере эволюции этих галактик, поглощая меньшие галактики (как это произошло с нашим Млечным Путем) или сливаясь с более крупными галактиками.
Такие черные дыры среднего размера, как известно, трудно обнаружить. Галактики, подобные нашему Млечному Пути, давно переросли эту промежуточную стадию и теперь содержат гораздо более крупные черные дыры в центре.
Галактики, которые остались маленькими ("карликовые галактики"), как правило, трудно наблюдать. С помощью доступных в настоящее время технологий наблюдения за их центральными областями, которые могли бы обнаружить центральную черную дыру, чрезвычайно сложны. Несмотря на наличие многообещающих кандидатов, до сих пор не было обнаружено ни одной черной дыры средней массы.
Ядро галактики, застывшее во времени
Вот в чем особенность Омеги Центавра. Если бы она когда-то была ядром отдельной галактики, которая затем слилась с Млечным Путем и при этом потеряла все звезды, кроме своей центральной части, оставшееся галактическое ядро и его центральная черная дыра были бы "заморожены во времени": дальнейших слияний не было бы, и не было бы возможности для развития галактики. центральная черная дыра продолжает расти.
Черная дыра сохранилась бы в том размере, который она имела, когда Омега Центавра была поглощена Млечным Путем, что позволило бы увидеть недостающее звено между ранними черными дырами с малой массой и более поздними сверхмассивными черными дырами.
Чтобы проверить эту гипотезу, необходимо действительно обнаружить центральную черную дыру в Омеге Центавра, а точное обнаружение до сих пор ускользало от астрономов. Хотя крупномасштабные модели движения звезд в скоплении и подтверждали это, они оставляли место для сомнений: возможно, центральной черной дыры вообще не было.
Иголка в архивном стоге сена
Когда в 2019 году Надин Ноймайер, руководитель группы из Института астрономии Макса Планка, и Анил Сет из Университета Юты разработали исследовательский проект, направленный на улучшение понимания истории формирования Омеги Центавра, они поняли, что появилась возможность решить вопрос о центральной черной дыре скопления раз и навсегда: если бы они смогли идентифицировать ожидаемые быстро движущиеся звезды вокруг черной дыры в центре Омеги Центавра, это стало бы пресловутым неопровержимым доказательством, а также способом измерения массы черной дыры.
Этот трудный поиск стал задачей Максимилиана Хеберле, аспиранта Астрономического института Макса Планка. Хеберле руководил работой по созданию огромного каталога движения звезд в созвездии Омега Центавра, измерив скорости 1,4 миллиона звезд, изучив более 500 изображений скопления, сделанных "Хабблом". Большинство из этих снимков были сделаны с целью калибровки приборов "Хаббла", а не для научного использования. Но, учитывая постоянно повторяющиеся изображения Омеги Центавра, они оказались идеальным набором данных для исследовательской работы команды.
Хеберле говорит: "Поиск звезд, движущихся с высокой скоростью, и документирование их движения - это, как говорится, поиск иголки в стоге сена". Но, в конце концов, Хеберле не только получил самый полный на сегодняшний день каталог движения звезд в созвездии Омега Центавра (опубликованный в отдельной статье). Он также нашел не одну, а целых семь иголок в своем архивном стоге сена: семь характерных быстро движущихся звезд в небольшой области в центре Омеги Центавра.
Открытие черной дыры
Эти быстро движущиеся звезды быстры из-за наличия сосредоточенной поблизости массы. Для одиночной звезды было бы невозможно определить, является ли она быстрой из—за большой центральной массы, или из-за того, что звезда находится очень близко к центральной массе, или же звезда просто летит прямо, не имея массы в поле зрения.
Но семь таких звезд с разными скоростями и направлениями движения позволили Хеберле и его коллегам разделить различные эффекты и определить, что в Омеге Центавра есть центральная масса, масса которой составляет по меньшей мере 8200 солнц. Изображения не указывают на какой-либо видимый объект в предполагаемом местоположении этой центральной массы, как можно было бы ожидать от черной дыры.
Более широкий анализ не только позволил Хеберле точно определить скорости семи звезд, движущихся с высокой скоростью. Это также позволило определить местоположение центральной области диаметром три световых месяца (на снимках - три угловых секунды), расположенной в Омеге Центавра.
Кроме того, анализ позволил получить статистическое подтверждение: одиночная звезда, движущаяся с высокой скоростью, на изображении может даже не принадлежать к созвездию Омега Центавра. Это может быть звезда за пределами скопления, которая случайно проходит прямо за центром Омега Центавра или перед ним. С другой стороны, наблюдения семи таких звезд не могут быть чистым совпадением и не оставляют места для других объяснений, кроме как существование черной дыры.
Наконец-то черная дыра средней массы
Ноймайер говорит: "Предыдущие исследования вызвали критический вопрос: "Так где же находятся звезды с высокой скоростью вращения?" Теперь у нас есть ответ на этот вопрос и подтверждение того, что Омега Центавра содержит черную дыру средней массы. На расстоянии около 18 000 световых лет это самый близкий из известных примеров массивной черной дыры".
Сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути находится на расстоянии около 27 000 световых лет. Это открытие не только обещает разрешить десятилетний спор о черной дыре средней массы в созвездии Омега Центавра. Кроме того, на данный момент это лучший кандидат для обнаружения черной дыры средней массы в целом.
Учитывая полученные результаты, Ноймайер, Хеберле и их коллеги теперь планируют исследовать центр Омеги Центавра еще более подробно. У них уже есть разрешение на измерение движения высокоскоростной звезды по направлению к Земле или от нее (скорость прямой видимости) с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, и в будущем появятся приборы (GRAVITY+ на VLT ESO, MICADO на Чрезвычайно большом телескопе), которые смогут еще точнее определять положение звезд. точнее, чем Хаббл.
Долгосрочная цель состоит в том, чтобы определить, как звезды ускоряются, то есть как изгибаются их орбиты. Тем не менее, наблюдение за этими звездами по всей их орбите, как в случае с получившими Нобелевскую премию наблюдениями вблизи черной дыры в центре Млечного Пути, - это проект для будущих поколений астрономов.
Меньшая масса черной дыры в Омеге Центавра означает, что временные масштабы в 10 раз больше, чем в Млечном Пути: периоды обращения более ста лет.
