Традиционно считалось, что чёрные дыры обычно «располагаются» в центрах галактик. Однако исследовательская группа под руководством доктора Ань Тао из Шанхайской астрономической обсерватории Китайской академии наук обнаружила блуждающую чёрную дыру в карликовой галактике, расположенной примерно в 230 миллионах световых лет (красное смещение z = 0,017).
В отличие от типичных чёрных дыр, эта не находится в галактическом центре, а смещена почти на один килопарсек и запускает радиоизлучение. Эта внеядерная, локально аккрецирующая чёрная дыра с джетами, обнаруженная в соседней карликовой галактике, является одним из наиболее близких и убедительно подтверждённых случаев такого рода.
Открытие, опубликованное в журнале Science Bulletin 4 сентября, подтверждает идею о том, что рост чёрных дыр не ограничивается центрами галактик, предлагая новый взгляд на то, как сверхмассивные чёрные дыры могли так быстро расти в ранней Вселенной.
Почему искать их в карликовых галактиках?
Карликовые галактики имеют меньшую массу и относительно более простую эволюционную историю. Они выступают в роли «космических окаменелостей», сохраняющих подсказки о раннем росте чёрных дыр.
Теория предсказывает, что гравитационный отскок после слияния галактик или взаимодействий с участием нескольких тел может легко вытеснить чёрные дыры из неглубоких гравитационных колодцев карликовых галактик, оставляя их блуждать на тысячи световых лет. Некоторые симуляции даже предполагают, что значительная часть чёрных дыр в карликовых галактиках может быть смещена почти на килопарсек (около 3000 световых лет). Однако долгое время прямых и однозначных наблюдательных доказательств не было.
Исследование
Исследователи под руководством доктора Аня сосредоточились на карликовой галактике под названием MaNGA 12772-12704, расположенной примерно в 230 миллионах световых лет от Земли. Используя данные с интегральным полем из исследования Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory (MaNGA), они обнаружили, что эта галактика демонстрирует слабые признаки активного галактического ядра (AGN). Хотя её общая морфология регулярна и не показывает явных признаков слияния или двойного AGN, одна ключевая особенность выделялась: связанное с ней радиоизлучение смещено от геометрического центра галактики почти на один килопарсек (кпк).
Дальнейшие наблюдения с помощью Very Long Baseline Array (VLBA) на частотах 1,6 и 4,9 ГГц показали, что источник находится на расстоянии 2,68 угловых секунд от галактического центра (что соответствует 0,94 кпк), с яркостной температурой радиоядра, превышающей 1 миллиард кельвинов. На частоте 1,6 ГГц была обнаружена структура джета, простирающаяся примерно на 2,2 парсека (7,2 световых лет) к юго-востоку. Это типичные особенности AGN.
Кроме того, анализируя архивные данные за 1993–2023 годы, исследователи обнаружили, что источник демонстрирует нерегулярную, долгосрочную изменчивость, становясь ярче и тусклее на протяжении десятилетий. Это поведение согласуется с устойчивой локальной аккрецией на чёрную дыру и чётко отличается от монотонно уменьшающегося, типичного для остатков сверхновых, эффективно исключая такие «самозванцы».
На основании звёздной массы галактики-хозяина масса чёрной дыры оценивается примерно в 300 000 масс Солнца, что относит её к категории промежуточных чёрных дыр (IMBH).
Вместе они подтвердили, что это действительно активно аккрецирующая внеядерная чёрная дыра с джетами — в настоящее время ближайший и наиболее убедительно подтверждённый случай такого рода.
«Это похоже на космический маяк, освещённый блуждающей чёрной дырой, хотя она и отклонилась от галактического центра, она всё равно излучает наружу мощную энергию», — сказал доктор Лю Юаньци, соавтор исследования.
С более широкой статистической точки зрения это открытие особенно поразительно. Из более чем 3000 карликовых галактик MaNGA 628 показали возможную активность AGN, и около 62% оказались смещёнными от своих оптических центров. Только MaNGA 12772-12704 соответствовала критериям «тройного твёрдого доказательства»: компактное ядро с высокой яркостью, джеты масштаба парсека и многолетняя изменчивость. Это говорит о том, что внеядерные явления могут быть не такими уж редкими. Однако «кандидат» не равен подтверждённому обнаружению.
«В карликовых галактиках особенно сложно получить чёткие наблюдательные доказательства блуждающих AGN», — сказал доктор Мар Мезкуа, соавтор исследования из Института космических наук Испании.
Преобладающее мнение долгое время состояло в том, что сверхмассивные чёрные дыры в основном растут в центрах галактик, быстро поглощая центральный газовый резервуар. Это исследование, однако, демонстрирует, что чёрная дыра промежуточной массы, расположенная вне галактического ядра, также может поддерживать аккрецию и производить джеты. Эти результаты предоставляют прямые наблюдательные доказательства идеи о том, что распределённое питание и рост на нескольких площадках являются потенциальным путём быстрого формирования сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной.
«Это открытие заставляет нас переосмыслить коэволюцию чёрных дыр и галактик. Чёрные дыры — это не только центральные «двигатели», они также могут незаметно изменять свои галактики-хозяева с окраин», — сказал доктор Ань.
Даже находясь в «пригородах» галактики, блуждающие чёрные дыры могут впрыскивать энергию в окружающую среду посредством мощных оттоков, влияя на галактическую динамику и звездообразование.
Это исследование превращает блуждающие чёрные дыры из теоретических предположений в прямую наблюдаемую реальность. С появлением телескопов нового поколения такие «потерянные чёрные дыры» могут больше не быть редкостью. В ближайшем будущем чрезвычайно большие оптические телескопы будут измерять галактические центры и структуры с более высокой точностью.
Между тем глубокие радиообзоры с высоким разрешением с использованием таких объектов, как основная матрица сферического телескопа с апертурой в пятьсот метров (FAST) и Square Kilometer Array, позволят обнаружить ещё более слабые радиосигналы, потенциально разрешая микроструи масштаба менее парсека. Эти достижения приведут к прорывам в подтверждении и статистическом изучении внеядерных чёрных дыр.
Возможно, однажды мы поймём, что блуждающие чёрные дыры вовсе не редкость, а скорее тихие путешественники на окраинах галактик, незаметно формирующие космическую эволюцию своих хозяев.
Предоставлено:
Китайская академия наук.