В 1964 году астрономы открыли первую чёрную дыру. Она называется Cygnus X-1, и доказательства её существования были обнаружены рентгеновскими детекторами на суборбитальной зондирующей ракете. Cygnus X-1 находится на расстоянии около 7 300 световых лет от нас и имеет массу около 21 солнечных. С тех пор астрономы открывали все более массивные чёрные дыры, в том числе сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД) в центре крупных галактик, таких как наша.
Теперь астрономы обнаружили самую массивную чёрную дыру из когда-либо наблюдавшихся. Об этом открытии сообщается в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Исследование называется «Раскрытие чёрной дыры массой 36 миллиардов солнечных масс в центре гравитационной линзы Космической подковы», а его ведущим автором является кандидат наук Карлос Мело из Федерального университета Рио-Гранде-ду-Сул в Бразилии.
Судя по всему, чем массивнее галактика, тем массивнее чёрная дыра в её центре. Недавно открытый сверхмассивный объект находится в галактике «Космическая подкова», которая является одной из самых массивных галактик, когда-либо обнаруженных. Космическая подкова — одна из немногих гравитационных линз с почти полным кольцом Эйнштейна, а не просто дугами, которые демонстрируют большинство других колец Эйнштейна.
«Это одна из 10 самых массивных чёрных дыр, когда-либо обнаруженных, и, вполне возможно, самая массивная», — говорит Томас Коллетт, профессор и исследователь из Портсмутского университета.
Определение массы чёрной дыры — непростое занятие. Авторы новостных заголовков могут делать подобные заявления, но учёные гораздо более осмотрительны. Они знают, что каждое заявление о массе чёрной дыры сопровождается оговорками о том, как она была измерена. Но в данном случае они достаточно уверены.
При массе 36 миллиардов солнечных масс эта сверхмассивная чёрная дыра определённо входит в десятку самых массивных чёрных дыр из когда-либо обнаруженных. Она даже может оказаться самой массивной из всех. Проблема заключается в том, как измеряются различные массы чёрных дыр.
«Большинство других измерений массы чёрных дыр являются косвенными и имеют довольно большие погрешности, поэтому мы не знаем наверняка, какая из них самая большая», — сказал Коллетт в пресс-релизе. «Однако благодаря нашему новому методу мы получили гораздо больше уверенности в массе этой чёрной дыры».
Звёздная кинематика — движение звёзд вблизи чёрной дыры — считается самым точным способом определения массы чёрной дыры. Именно она помогла астрономам определить массу СМЧД Млечного Пути, звезды Стрелец A*. Группа звёзд, вращающихся вокруг звезды, называется S-звёздами. Их высокие скорости и близость к СМЧД позволили астрономам определить массу звезды Стрелец A*: около 4,3 миллиона солнечных масс.
Звёздная кинематика отлично работает для близких СМЧД, таких как в нашей галактике. Но чем дальше СМЧД, тем с большими трудностями сталкивается звёздная кинематика. Изображения далёких галактик настолько малы, что отследить орбиты отдельных звёзд практически невозможно. Вот тут-то и приходит на помощь гравитационное линзирование.
Когда массивный объект на переднем плане оказывается на одной линии с более далёким объектом, гравитация объекта переднего плана усиливает свет от объекта заднего плана — она искажает путь света от далёкого объекта.
«Мы обнаружили влияние чёрной дыры двумя способами: она изменяет путь света, проходящего мимо неё, и заставляет звёзды во внутренних областях галактики-хозяина двигаться чрезвычайно быстро (почти 400 км/с)», — говорит профессор Коллетт. «Соединив эти два измерения, мы обретаем полную уверенность в том, что чёрная дыра существует».
СМЧД легче обнаружить, когда они активно аккрецируют вещество и испускают мощное излучение. Астрономы называют это активными галактическими ядрами (АГЯ), а самые яркие из них — квазарами. АГЯ и квазары испускают своё излучение во всём спектре, особенно в рентгеновских лучах, и это делает их видимыми с больших расстояний. Но когда они находятся в состоянии покоя, их крайне сложно обнаружить. Благодаря гравитационной линзе «Космическая подкова» эта спящая чёрная дыра стала видимой.
Ведущий автор работы Мело сказал: «Это открытие было сделано для „спящей“ чёрной дыры — той, которая в момент наблюдения не ведёт активной аккреции вещества. Её обнаружение основывалось исключительно на её огромном гравитационном притяжении и влиянии, которое она оказывает на окружающее пространство».
Астрономы смогли не только обнаружить чёрную дыру, но и измерить её массу.
«Особенно интересно то, что этот метод позволяет нам обнаружить и измерить массу этих скрытых сверхмассивных чёрных дыр во всей Вселенной, даже когда они ведут себя тихо», — сказал Мело.
Когда далёкие чёрные дыры становятся активными галактическими ядрами, у астрофизиков появляется материал для работы. Свойства их излучения позволяют учёным оценить скорость их аккреции, что приводит к оценке их массы. Этот метод не даёт полной определённости, поэтому существует неопределённость в вопросе о том, какая СМЧД является самой массивной.
«Как правило, для таких удалённых систем измерения массы чёрной дыры возможны только во время её активности», — говорит Мело. «Но эти оценки, основанные на аккреции, часто сопровождаются значительными неопределённостями. Наш подход, сочетающий сильное линзирование со звёздной динамикой, предлагает более прямое и надёжное измерение, даже для таких удалённых систем».
Астрофизики почти уверены, что масса галактики и масса её СМЧД связаны между собой. Было бы удивительно, если бы это было не так.
«Мы считаем, что размер обеих галактик тесно связан, — добавил профессор Коллетт, — потому что когда галактики растут, они могут сбрасывать материю на центральную чёрную дыру. Часть этой материи увеличивает чёрную дыру, но большая её часть светится в невероятно ярком источнике, называемом квазаром. Эти квазары выбрасывают огромное количество энергии в галактики-хозяева, что останавливает конденсацию газовых облаков в новые звёзды».
Существует значительная корреляция между массой СМЧД и дисперсией скоростей звёзд в центральном балдже галактики. Самые массивные чёрные дыры встречаются в галактиках, где эти звёзды движутся быстрее, что интуитивно понятно. Существует также связь между массой чёрной дыры и суммарной массой звёздного балджа. Эти взаимосвязи позволяют предположить, что эволюция чёрных дыр и галактик связаны между собой.
Однако чёрная дыра в Космической подкове кажется более массивной, чем должна быть, согласно дисперсии звёздных скоростей галактики. Авторы говорят, что это отклонение от нормы, и что она кажется «слишком массивной для эффективной дисперсии скоростей принимающей галактики». Она не единственная, и «это отклонение в сторону массивности, вероятно, отражает различные эволюционные пути во время формирования этих галактик», — пишут они.
Масса СМЧД позволяет предположить, что она является частью ископаемой группы галактик. Ископаемые группы начинаются с нескольких крупных галактик. За миллиарды лет самая массивная галактика в группе начинает гравитационно доминировать над остальными. В конце концов она захватывает остальные и сливается с ними, образуя одну чрезвычайно массивную галактику.
Авторы пишут, что масса СМЧД представляет собой «уникальную историю эволюции Космической подковы, которая, вероятно, является частью ископаемой группы», которую мы наблюдаем в том виде, в котором она существовала около 4,8 миллиарда лет назад. «Центральные галактики ископаемых групп, являющи��ся остатками ранних слияний галактик, могут идти по отличным от местных галактик эволюционным путям, что потенциально объясняет высокую массу СМЧД».
«Вполне вероятно, что все сверхмассивные чёрные дыры, которые изначально находились в галактиках-компаньонах, теперь также слились и образовали сверхмассивную чёрную дыру, которую мы обнаружили», — говорит профессор Коллетт. «Таким образом, мы наблюдаем конечное состояние формирования галактик и конечное состояние формирования чёрных дыр».
Такой уровень анализа стал возможен только благодаря Космической подкове и её почти полному кругу, который исследователи называют радиальной дугой. Будущие телескопы найдут их ещё больше, что, как мы надеемся, приведёт к лучшему пониманию СМЧД и галактик, в которых они обитают.
«Ожидается, что радиальные дуги, подобные изученной здесь, будут встречаться все чаще. Надеемся, что миссия „Евклид“» обнаружит сотни тысяч линз в течение следующих 5 лет, а Чрезвычайно Большой Телескоп произведёт революцию в нашей способности проводить детальные динамические исследования», — объясняют исследователи в своей статье.
«Сочетание линзирования и динамики звёзд вскоре позволит получить беспрецедентную выборку галактик, что даст нам очень интересные сведения о звёздных популяциях, гало тёмной материи и СМЧД в более широком диапазоне красных смещений, чем когда-либо прежде», — заключают авторы.
