Астрономы заявили, что нашли ближайшую черную дыру средней массы

Быстродвижущиеся звезды в звездном скоплении Омега Центавра предоставляют убедительные доказательства наличия в нем центральной черной дыры. Имея не менее 8 200 солнечных масс, она является лучшим кандидатом для класса черных дыр, в существование которого астрономы давно верили: черные дыры средней массы, образовавшиеся на ранних стадиях эволюции галактик.

Об открытии рассказывают в НАСА и в Обществе им. Макса Планка, передают OstanniPodii.com.

Это открытие подкрепляет аргументы в пользу того, что Омега Центавра является ядром галактики, которая была поглощена Млечным Путем миллиарды лет назад. Лишенное внешних звезд, это ядро галактики с тех пор остается "застывшим во времени". Исследование было опубликовано в журнале Nature.

Омега Центавра -- это удивительное скопление около 10 миллионов звезд, которые гравитационно связаны между собой. Оно примерно в 10 раз массивнее других крупных шаровых скоплений -- почти такое же массивное, как небольшая галактика.

Это скопление видимо из южных широт как пятно на ночном небе. В небольшой телескоп оно по структуре ничем не отличается от других 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, что астрономы уже давно подозревали: Омега Центавра содержит центральную черную дыру.

Эта черная дыра является "недостающим звеном" между ее звездной и сверхмассивной родственниками: застрявшая на промежуточной стадии эволюции, она значительно менее массивна, чем типичные черные дыры в центрах галактик. Омега Центавра, похоже, является ядром маленькой, отдельной галактики, чья эволюция была оборвана, когда ее поглотил Млечный Путь.

Слева направо: шаровое звездное скопление Омега Центавра в целом; увеличенная версия центральной области; и область в самом центре с обозначенным расположением черной дыры среднего размера, которая была идентифицирована в этом исследовании. Credits: ESA/Hubble, NASA, Maximilian Häberle (MPIA)

Диапазон масс черных дыр

В астрономии черные дыры бывают разных массовых диапазонов. Хорошо известны звездные черные дыры массой от одной до нескольких десятков масс Солнца, а также сверхмассивные черные дыры с массами в миллионы или даже миллиарды солнечных.

Наша современная картина эволюции галактик предполагает, что древнейшие галактики должны были иметь центральные черные дыры среднего размера, которые со временем росли, поглощая меньшие галактики (как наш Млечный Путь) или сливаясь с более крупными галактиками.

Такие черные дыры среднего размера, как известно, очень трудно найти. Галактики, подобные нашему Млечному Пути, уже давно переросли эту промежуточную фазу и теперь содержат гораздо большие центральные черные дыры.

Галактики, которые остались маленькими ("карликовые галактики"), как правило, трудно наблюдать. При нынешних технологиях наблюдения их центральных областей чрезвычайно сложно было бы обнаружить центральную черную дыру. Хотя есть многообещающие кандидаты, до сих пор не было достоверного обнаружения такой черной дыры средней массы.

Галактика (ядро), застывшая во времени

Омега Центавра особенная. Если бы она когда-то была ядром отдельной галактики, которая затем слилась с Млечным Путем и потеряла в процессе слияния все звезды, кроме центральной группы, то ядро галактики и её центральная черная дыра были бы "заморожены во времени": не было бы никаких дальнейших слияний, и центральная черная дыра не имела бы возможности расти.

Черная дыра сохранилась бы в том размере, который она имела, когда Омега Центавра была поглощена Млечным Путем, давая представление об отсутствующем звене между ранними маломассивными черными дырами и более поздними сверхмассивными черными дырами.

Чтобы проверить эту гипотезу, необходимо фактически обнаружить центральную черную дыру в Омеге Центавра, а до сих пор астрономам не удавалось её обнаружить. Хотя существовали доказательства из крупномасштабных моделей движения звезд в скоплении, эти доказательства оставляли место для сомнений: возможно, центральной черной дыры вообще не было.

Игла в архивной стоге сена

Когда Надин Неймайер, руководитель группы в Институте астрономии Макса Планка, и Анил Сет из Университета Юты в 2019 году разработали исследовательский проект, направленный на лучшее понимание 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 звезды, быстро движущиеся вокруг черной дыры в центре Омеги Центавра, это стало бы неопровержимым доказательством, а также способом измерить массу этой черной дыры.

Трудный поиск стал задачей Максимилиана Хеберле, аспиранта Института астрономии имени Макса Планка. Хеберле возглавлял работу по созданию огромного каталога движения звезд в Омеге Центавра, измеряя скорости 1,4 миллиона звезд, изучая более 500 изображений скопления, сделанных "Хабблом". Большинство этих изображений были сделаны с целью калибровки инструментов "Хаббла", а не для научного использования. Но благодаря постоянному повторению вида Омеги Центавра они оказались идеальным набором данных для исследовательских усилий команды.

Хеберле говорит: "Искать высокоскоростные звезды и документировать их движение было похоже на поиск иглы в стоге сена". Но в конце концов Хеберле не только составил самый полный на то время каталог движения звезд в Омеге Центавра. Он также нашел не одну, а семь иголок в своей архивной стоге сена: семь красноречивых, быстро движущихся звезд в небольшой области в центре Омеги Центавра.

Открываем черную дыру

Быстродвижущиеся звезды -- это звезды, которые движутся быстро из-за наличия концентрированной массы поблизости. Для одной звезды было бы невозможно сказать, быстрая ли она из-за большой центральной массы, или из-за того, что звезда находится очень близко к центральной массе -- или же звезда просто летит прямолинейно, не имея никакой массы в поле зрения.

Но семь таких звезд, с различными скоростями и направлениями движения, позволили Хеберле и его коллегам разделить различные эффекты и определить, что в Омеге Центавра есть центральная масса с массой не менее 8200 солнц. Изображения не указывают ни на один видимый объект в предполагаемом месте расположения этой центральной массы, как можно было бы ожидать для черной дыры.

Более широкий анализ не только позволил Хеберле точно определить скорости семи его высокоскоростных звезд. Он также сузил местоположение центральной области диаметром три световых месяца (на изображениях -- три дуговые секунды) в Омеге Центавра.

Кроме того, анализ предоставил статистическое подтверждение: одна отдельная высокоскоростная звезда на изображении может даже не принадлежать к Омеге Центавра. Это может быть звезда за пределами скопления, которая случайно проходит прямо позади или перед центром Омеги Центавра. С другой стороны, наблюдение семи таких звезд не может быть чистым совпадением и не оставляет места для других объяснений, кроме черной дыры.

Наконец, черная дыра средней массы

Ноймайер говорит: "Предыдущие исследования вызвали критические вопросы: "А где же высокоскоростные звезды?". Теперь мы имеем ответ на этот вопрос и подтверждение того, что Омега Центавра содержит черную дыру средней массы. На расстоянии около 18 000 световых лет это ближайший известный пример массивной черной дыры".

Сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути находится на расстоянии около 27 000 световых лет. Исследователи отмечают, что это открытие не только обещает решить десятилетнюю дискуссию о черной дыре средней массы в Омеге Центавра; оно также является лучшим кандидатом на обнаружение черной дыры средней массы вообще.

Учитывая свои выводы, Ноймаер, Хеберле и их коллеги теперь планируют исследовать центр Омеги Центавра еще подробнее. Они уже имеют разрешение на измерение высокоскоростного движения звезды по направлению к Земле или от Земли (лучевая скорость) с помощью космического телескопа Джеймса Вебба, а будущие инструменты (GRAVITY+ на VLT ESO, MICADO на Чрезвычайно большом телескопе) могут определить звездные позиции еще точнее, чем Хаббл.

Долгосрочная цель -- определить, как звезды ускоряются: как искривляются их орбиты. Однако, наблюдение за этими звездами по всей их орбите, как в нобелевских наблюдениях возле черной дыры в центре Млечного Пути, является проектом для будущих поколений астрономов.