В настоящее время общепризнанным является тот факт, который говорит, что в огромном пространстве нашей вселенной самые тяжёлые чёрные дыры вырастали из небольших “семян”. Подпитываясь газом и пылью, которые они поглощали, или сливаясь с другими плотными объектами, эти семена увеличивали свой вес и размер, формируя центры галактик, таких как Млечный Путь. Отсюда выходит простое умозаключение: эти семена чёрных дыр тоже должны были быть чёрными дырами. Однако пока никто и никогда их не находил.
Одна из гипотез заключается в том, что сверхмассивные чёрные дыры, то есть такие, которые эквивалентны по массе от сотен тысяч до нескольких миллиардов Солнц, выросли из популяции меньших чёрных дыр, которые никто никогда не наблюдал. Эта неуловимая группа объектов средней массы весила бы где-то между 100 и 100000 Солнц. Среди сотен чёрных дыр, найденных до настоящего времени, было много относительно небольших, но ни одна из них не находится в этом промежуточном диапазоне масс.
Учёные постоянно работают с мощными космическими орбитальными телескопами и наземными обсерваториями, чтобы исследовать очень далёкие объекты, которые соответствуют описанию этих экзотических чёрных дыр. Удалось обнаружить десятки возможных кандидатов, и исследователи уже вовсю работают над тем, чтобы подтвердить их в качестве чёрных дыр. Но даже если они это сделают, тут же возникнет совершенно новая загадка: как образовались чёрные дыры с промежуточной массой?
Иллюстрация художника показывает одну из самых примитивных сверхмассивных чёрных дыр, найденную в ядре молодой, богатой звёздами галактики. Источник: NASA / JPL-Caltech
“Что такого интересного в этом вопросе, и почему люди потратили так много времени, пытаясь найти эти объекты промежуточной массы? Дело в том, что такие чёрные дыры могут пролить свет на понимание процессов, которые происходили в ранней вселенной. Также мы можем понять, какие были массы у реликтовых чёрных дыр, а также новые механизмы их формирования, о которых мы даже не подозревали”, – Фиона Харрисон, профессор физики в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене, штат Калифорния, и главный исследователь миссии NuSTAR.
О чёрных дырах с нуля
Чёрная дыра – это чрезвычайно плотный объект в космическом пространстве, из гравитационного притяжения которого не может вырваться даже свет. Когда вещество попадает в чёрную дыру, у него нет никакого выхода из неё и оно обречено на гибель. И чем больше чёрная дыра поглощает, тем больше она растет как по массе, так и по размеру.
В настоящее время принята следующая классификация масс этих космических объектов.
От 1 до 100 солнечных масс – масса звезды.
От 100 до 100000 солнечных масс – чёрная дыра средней массы.
От 100000 до нескольких миллиардов солнечных масс – сверхмассивная чёрная дыра.
Самые маленькие чёрные дыры называются объектами звёздной массы, то есть масса до ста раз превышает массу Солнца. Они образуются во время катастрофически событий, когда звёзды взрываются в виде сверхновых.
Сверхмассивные чёрные дыры, с другой стороны, являются центральными ядрами больших галактик. Например, наше Солнце и все другие звёзды в Млечном Пути вращаются вокруг чёрной дыры под названием Стрелец A* (Sgr A*), которая весит около 4,1 миллиона солнечных масс. Ещё более тяжёлая чёрная дыра с колоссальной массой в 6,5 миллиарда солнечных масс является центральным элементом галактики Messier 87 (M87). Сверхмассивная чёрная дыра в M87 появилась на знаменитом изображении от устройства Event Horizon Telescope (Телескоп горизонта событий). По ссылке можно прочитать то, как этот конгломерат обсерваторий впервые напрямую показал чёрную дыру и ее “тень”. Появление тени вызвано горизонтом событий – точкой невозврата чёрной дыры, изгибающей и захватывающей свет своей сильной гравитацией.
Сверхмассивные чёрные дыры, как правило, имеют вокруг себя скопления вещества, называемые аккреционными дисками, состоящие из чрезвычайно горячих частиц высоких энергий, которые начинают очень ярко светиться, когда приближаются к горизонту событий. Те объекты, которые заставляют свои же диски максимально ярко светиться из-за очень активного поглощения, называют активными ядрами галактик (АЯГ).
Плотность материи, необходимой для создания чёрной дыры, по настоящему ошеломляет. Чтобы создать дыру в 50 раз больше массы Солнца, нам придётся упаковать эквивалент массы 50-ти Солнц в шар менее трёхсот километров в поперечнике. В случае с центральной частью M87, это то же самое, как если бы 6,5 миллиардов Солнц были сжаты в шар диаметром, эквивалентном орбите Плутона. В обоих случаях плотность объектов настолько высока, что исходный материал должен схлопнуться в сингулярность — разрыв в ткани пространства-времени.
Ключом к тайне происхождения чёрных дыр является физический предел того, как быстро они могут расти. Даже гигантские монстры в центрах галактик имеют ограничения на своё бесконтрольное питание, потому что определенное количество вещества отталкивается высокоэнергетическим излучением, исходящим от горячих частиц, ускоренных вблизи горизонта событий. Попросту поглощая окружающее вещество, чёрная дыра малой массы может удвоить её только за 30 миллионов лет.
Галактика под названием ESO 243-49, является домом для чрезвычайно яркого объекта под названием HLX-1. Он обведён в кружок. HLX-1 является наиболее вероятным примером чёрной дыры в промежуточном диапазоне масс. Источник: NASA; ESA; and S. Farrell, Sydney Institute for Astronomy, University of Sydney
“Если бы мы начали создавать чёрную дыру с массы 50 солнечных, то ни за что не смогли бы вырастить ее до одного миллиарда солнечных масс за один миллиард лет. Но, как мы знаем, существуют сверхмассивные чёрные дыры, которые существуют менее чем один миллиард лет после образования Вселенной. В этом вся проблема”, – Игорь Чилингарян, астрофизик из Смитсоновской астрофизической обсерватории и Московский государственного университета.
Как создать чёрную дыру, которую не видно
В начале истории вселенной семена чёрных дыр средней массы могли образоваться либо в результате коллапса большого плотного газового облака, либо в результате взрыва сверхновой. Самые первые звёзды, которые появились в нашей вселенной, имели чистый водород и гелий во внешних слоях и более тяжёлые элементы, сосредоточенные в ядре. Именно такой состав и является как бы “рецептом” для гораздо более массивной чёрной дыры, так как современные взрывающиеся звёзды больше “загрязнены” тяжёлыми элементами в своих внешних слоях и поэтому теряют больше массы посредством звёздных ветров.
“Да, если мы сформируем чёрные дыры со 100 солнечными массами в начале жизни вселенной, некоторые из них должны будут объединиться в один объект. Но таких изначальных объектов должно быть много, поэтому некоторые из них всё ещё должны находиться уже в современном космическом пространстве. Так где же они, если они образовались?”, – Тод Стромайер, астрофизик из Центра космических полетов имени Годдарда.
Один из подтверждений того, что чёрные дыры средней массы всё ещё могут существовать, пришло по данным из лазерного интерферометра гравитационных волн LIGO Национального научного фонда. Его детекторы, объединенные с европейской установкой Virgo в Италии, в ряби пространства-времени, называемой гравитационными волнами, обнаружили множество различных слияний чёрных дыр.
В 2016 году LIGO объявила об одном из самых важных научных открытий последних пятидесяти лет – о первом обнаружении гравитационных волн. В частности, детекторы, базирующиеся в Ливингстоне, штат Луизиана, и Хэнфорде, штат Вашингтон, приняли сигнал слияния двух чёрных дыр. Массы этих черных дыр в 29 и 36 раз больше массы Солнца, что очень удивило учёных. И, хотя, эти объекты всё ещё малы для того, чтобы хотя бы технически их считать средней массой, они достаточно велики, чтобы преобразоваться в такие объекты.
Так где же они?
Искать чёрные дыры в пустыне объектов средних масс очень сложно, потому что сами эти дыры не излучают света. Однако учёные могут искать определённые знаки, используя сложные телескопы и другие инструменты. Например, поскольку поток вещества в чёрную дыру не является постоянным, скопление потребляемого материала вызывает определенные колебания светового потока в окружающей среде. Такие изменения можно наблюдать чаще в меньших чёрных дырах, чем в больших.
“В масштабе времени нескольких часов мы можем провести наблюдения, которые для классических активных ядер галактик занимают месяцы”.
Наиболее перспективным кандидатом на роль чёрной дыры с промежуточной массой является объект HLX-1, масса которого примерно в 20000 раз превышает массу Солнца. HLX-1 означает “Гиперсветящийся источник рентгеновского излучения номер один”, а его выходная энергия намного выше, чем у солнцеподобных звёзд. Он был обнаружен в 2009 году австралийским астрономом Шоном Фарреллом с помощью рентгеновского космического телескопа XMM-Newton Европейского космического агентства. Исследование 2012 года с использованием космических телескопов “Хаббл” и “Свифт” выявило намёки о присутствии скопления молодых голубых звёзд, вращающихся вокруг этого объекта. Возможно, когда-то это был центр карликовой галактики, которая была поглощена более крупной галактикой ESO 243-49. Многие ученые считают HLX-1 доказанной чёрной дырой средней массы.
“Спектр рентгеновского излучения, которое он испускает, и то, как он ведет себя, очень похожи на чёрную дыру. У многих исследователей, включая мою группу, существуют алгоритмы поиска объектов, которые выглядят как HLX-1, но до сих пор ни один из них не пришёл последовательно к таким выводам”.
Менее яркие объекты, которые также могут быть чёрными дырами средней массы, называются ультраяркими рентгеновскими источниками, или ULX. Один мерцающий источник ULX под названием NGC 5408 X-1 был особенно интересен для учёных, занятых поиском чёрных дыр средней массы. Однако рентгеновские обсерватории NuSTAR и “Чандра” ошарашили учёных, обнаружив, что многие объекты ULX не являются чёрными дырами. Вместо этого они являются просто пульсарами – чрезвычайно плотными звёздными остатками, которые пульсируют, как маяки.
M82 X-1, самый яркий источник рентгеновского излучения в галактике M82, является ещё одним объектом, который мерцает на временных масштабах, согласующихся с поведением чёрной дыры средней массы. Эти изменения яркости связаны с массой дыры и вызваны наличием движущегося вещества вблизи внутренней области аккреционного диска. Исследование, проведённое в 2014 году, рассматривало конкретные вариации в рентгеновском свете и оценило, что M82 X-1 имеет массу около 400 Солнц. Ученые использовали архивные данные со спутника Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE), чтобы изучить эти изменения яркости рентгеновского излучения.
Это изображение, сделанное с помощью Очень Большого Телескопа VLT Европейской Южной Обсерватории, показывает центральную область галактики NGC 1313. Эта галактика является домом для ультраяркого рентгеновского источника NCG 1313 X-1, который астрономы определили в качестве кандидата в чёрную дыру средней массы. NGC 1313 имеет протяжённость в 50000 световых лет в поперечнике и находится примерно в 14 миллионах световых лет от Млечного Пути в южном созвездии Сетка. Источник: ESO
Совсем недавно учёные исследовали большую группу возможных чёрных дыр средней массы. В 2018 году Чилингарян и его коллеги описали выборку из десяти кандидатов, повторно проанализировав оптические данные от Слоановского Цифрового Обзора Неба SDSS и сопоставив первоначальные результаты с рентгеновскими данными от “Чандры” и XMM-Newton. В настоящее время исследователи занимаются изучением этих объектов с помощью наземных телескопов в Чили и Аризоне. Мар Мескуа из испанского Института космических наук в 2018 году провёл отдельное исследование, также используя данные “Чандры, и обнаружил 40 растущих чёрных дыр в карликовых галактиках, которые могут находиться в этом особом промежуточном диапазоне масс. Но Мескуа и его коллеги утверждают, что эти чёрные дыры изначально образовались в результате коллапса гигантских облаков, а не в результате взрывов звёзд.
Что дальше
Карликовые галактики – одни из наиболее интересных мест для дальнейшего поиска таких объектов, потому что теоретически в меньших звёздных системах могут находиться чёрные дыры гораздо меньшей массы, чем те, которые находятся в центрах больших галактик, таких как наша. По той же причине учёные ищут шаровые звёздные скопления – сферические соединения звёзд, расположенные на окраинах Млечного Пути и других галактик.
“Возможно, в таких галактиках есть искомые чёрные дыры, но если они не накапливают много материи вокруг себя, их может быть трудно увидеть”.
Охотники за чёрными дырами средней массы с нетерпением ждут запуска космического телескопа имени Джеймса Уэбба, который будет наблюдать за рассветом первых галактик во вселенной. “Уэбб” поможет астрономам выяснить, что появилось первым – галактика или её центральная чёрная дыра, и как эта дыра могла сама образоваться. В сочетании с рентгеновскими наблюдениями, инфракрасные данные “Уэбба” будут важны для идентификации некоторых из самых ранних кандидатов в чёрные дыры.
Еще один новый инструмент, запущенный в июле Российским Космическим Агентством, называется “Спектр-РГ”. Этот космический аппарат будет сканировать небо в рентгеновских лучах. Информация о гравитационных волнах, поступающая от содружества LIGO-Virgo, также поможет в поиске, как и запланированная миссия “Лазерная Интерферометрическая Космическая Антенна” (Laser Interferometer Space Antenna, LISA).
Этот флот новых инструментов, в дополнение к нынешним, очень поможет астрономам, поскольку с помощью них можно продолжать поиски в космическом саду “семян” чёрных дыр и галактик, подобных нашей.
По информации НАСА.
Источник: