Космический телескоп «Хаббл» и рентгеновская обсерватория «Чандра» NASA объединили усилия, чтобы обнаружить новый возможный пример редкого класса чёрных дыр. Этот объект, получивший название NGC 6099 HLX-1, представляет собой яркий источник рентгеновского излучения, который, по-видимому, находится в компактном звёздном скоплении в гигантской эллиптической галактике.
Открытие в первые годы работы «Хаббла»
Всего через несколько лет после запуска в 1990 году «Хаббл» обнаружил, что в центрах галактик по всей Вселенной могут находиться сверхмассивные чёрные дыры, масса которых в миллионы или миллиарды раз превышает массу нашего Солнца. Кроме того, в галактиках насчитывается до миллионов небольших чёрных дыр, масса которых менее 100 масс Солнца. Они образуются, когда массивные звёзды достигают конца своей жизни.
Чёрные дыры средней массы: неуловимые и загадочные
Гораздо более неуловимыми являются чёрные дыры средней массы (IMBHs), масса которых составляет от нескольких сотен до нескольких сотен тысяч масс Солнца. Эта категория чёрных дыр, не слишком больших и не слишком маленьких, часто невидима для нас, поскольку IMBHs поглощают гораздо меньше газа и звёзд, чем сверхмассивные, которые излучают мощное излучение.
Их можно обнаружить только тогда, когда они поглощают несчастную звезду, проходящую мимо, в том, что астрономы называют событием приливного разрушения. В такие моменты они излучают мощный поток радиации.
Новая вероятная чёрная дыра средней массы
Новейшая вероятная чёрная дыра средней массы, пойманная за поглощением звезды, находится на окраине галактики NGC 6099 примерно в 40 000 световых лет от центра галактики. Об этом говорится в новом исследовании, опубликованном в журнале The Astrophysical Journal. Галактика расположена примерно в 450 миллионах световых лет от нас в созвездии Геркулеса.
Астрономы впервые увидели необычный источник рентгеновского излучения на изображении, полученном с помощью «Чандры» в 2009 году. Затем они проследили за его эволюцией с помощью космической обсерватории ESA XMM-Newton.
«Рентгеновские источники с такой экстремальной яркостью редки за пределами ядер галактик и могут служить ключевым инструментом для идентификации неуловимых IMBHs. Они представляют собой важное недостающее звено в эволюции чёрных дыр между звёздной массой и сверхмассивными чёрными дырами», — сказал ведущий автор Йи-Чи Чан из Национального университета Цин Хуа, Тайвань.
Особенности рентгеновского излучения и звёздное скопление
Рентгеновское излучение, исходящее от NGC 6099 HLX-1, имеет температуру в 3 миллиона градусов, что соответствует событию приливного разрушения. «Хаббл» обнаружил доказательства существования небольшого скопления звёзд вокруг чёрной дыры. Это скопление даёт чёрной дыре много пищи, поскольку звёзды расположены так близко друг к другу, что расстояние между ними составляет всего несколько световых месяцев (около 500 миллиардов миль).
Предполагаемая чёрная дыра средней массы достигла максимальной яркости в 2012 году, а затем продолжала тускнеть до 2023 года. Оптические и рентгеновские наблюдения за этот период не совпадают, что усложняет интерпретацию. Чёрная дыра могла разорвать захваченную звезду, создав плазменный диск, который демонстрирует изменчивость, или могла образовать диск, мерцающий, когда газ падает к чёрной дыре.
Теории формирования сверхмассивных чёрных дыр
Команда подчёркивает, что исследование IMBHs может выявить, как в первую очередь образуются более крупные сверхмассивные чёрные дыры. Существуют две альтернативные теории. Одна из них заключается в том, что IMBHs являются зародышами для создания ещё более крупных чёрных дыр путём слияния, поскольку большие галактики растут за счёт поглощения меньших галактик. Чёрная дыра в центре галактики также растёт во время этих слияний.
Наблюдения «Хаббла» выявили пропорциональную зависимость: чем массивнее галактика, тем больше чёрная дыра. Новая картина показывает, что в галактиках могут быть «спутниковые IMBHs», которые вращаются в гало галактики, но не всегда падают в центр.
Другая теория заключается в том, что газовые облака в середине гало тёмной материи в ранней Вселенной сначала не образуют звёзды, а просто коллапсируют непосредственно в сверхмассивную чёрную дыру. Обнаружение космическим телескопом Джеймса Уэбба NASA очень далёких чёрных дыр, которые непропорционально более массивны по сравнению с их галактикой-хозяйкой, подтверждает эту идею.
Однако может существовать предвзятость наблюдений в отношении обнаружения чрезвычайно массивных чёрных дыр в далёкой Вселенной, поскольку объекты меньшего размера слишком слабы, чтобы их можно было увидеть. В реальности может быть больше разнообразия в том, как наша динамическая Вселенная создаёт чёрные дыры.
Сверхмассивные чёрные дыры, коллапсирующие внутри гало тёмной материи, могут просто расти другим путём, отличным от тех, что живут в карликовых галактиках, где аккреция чёрной дыры может быть предпочтительным механизмом роста.
«Итак, если нам повезёт, мы найдём больше свободно плавающих чёрных дыр, внезапно становящихся яркими в рентгеновском диапазоне из-за события приливного разрушения. Если мы сможем провести статистическое исследование, это покажет нам, сколько существует таких IMBHs, как часто они разрушают звезду, как большие галактики выросли за счёт объединения меньших галактик», — сказал Сория.
Задача состоит в том, что «Чандра» и XMM-Newton наблюдают лишь за небольшой частью неба, поэтому они нечасто обнаруживают новые события приливного разрушения, когда чёрные дыры поглощают звёзды. Обсерватория Веры Рубин в Чили, телескоп для обзора всего неба от Национального научного фонда США и Министерства энергетики, может обнаруживать эти события в оптическом свете на расстоянии сотен миллионов световых лет. Последующие наблюдения с помощью «Хаббла» и «Уэбба» могут выявить звёздное скопление вокруг чёрной дыры.