Астрономи заявили, що знайшли найближчу чорну діру середньої маси

Швидкорухомі зорі у зоряному скупченні Омега Центавра надають переконливі докази наявності у ньому центральної чорної діри. Маючи щонайменше 8 200 сонячних мас, вона є найкращим кандидатом для класу чорних дір, в існування якого астрономи давно вірили: чорні діри середньої маси, що утворилися на ранніх стадіях еволюції галактик.

Про відкриття розповідають в НАСА та в Товаристві ім. Макса Планка, передають OstanniPodii.com.

Це відкриття підкріплює аргументи на користь того, що Омега Центавра є ядром галактики, яка була поглинута Чумацьким Шляхом мільярди років тому. Позбавлене зовнішніх зірок, це ядро галактики відтоді залишається "застиглим у часі". Дослідження було опубліковане в журналі Nature.

Омега Центавра -- це дивовижне скупчення близько 10 мільйонів зірок, які гравітаційно пов′язані між собою. Воно приблизно у 10 разів масивніше за інші великі кулясті скупчення -- майже таке ж масивне, як невелика галактика.

Це скупчення видиме з південних широт як пляма на нічному небі. У невеликий телескоп воно за структурою нічим не відрізняється від інших кулястих скупчень: сферичне скупчення зірок, настільки щільне до центру, що стає неможливо розрізнити окремі зорі.

Але тепер нове дослідження, проведене під керівництвом Максиміліана Геберле (Інститут астрономії Макса Планка), підтверджує те, що астрономи вже давно підозрювали: Омега Центавра містить центральну чорну діру.

Ця чорна діра є "відсутньою ланкою" між її зоряною та надмасивною родичами: застрягла на проміжній стадії еволюції, вона значно менш масивна, ніж типові чорні діри в центрах галактик. Омега Центавра, схоже, є ядром маленької, окремої галактики, чия еволюція була обірвана, коли її поглинув Чумацький Шлях.

Зліва направо: кулясте зоряне скупчення Омега Центавра в цілому; збільшена версія центральної області; та область в самому центрі з позначеним розташуванням чорної діри середнього розміру, яка була ідентифікована в цьому дослідженні. Credits: ESA/Hubble, NASA, Maximilian Häberle (MPIA)

Діапазон мас чорних дір

В астрономії чорні діри бувають різних масових діапазонів. Добре відомі зоряні чорні діри масою від однієї до кількох десятків мас Сонця, а також надмасивні чорні діри з масами в мільйони або навіть мільярди сонячних.

Наша сучасна картина еволюції галактик передбачає, що найдавніші галактики повинні були мати центральні чорні діри середнього розміру, які з часом зростали, поглинаючи менші галактики (як наш Чумацький Шлях) або зливаючись з більшими галактиками.

Такі чорні діри середнього розміру, як відомо, дуже важко знайти. Галактики, подібні до нашого Чумацького Шляху, вже давно переросли цю проміжну фазу й тепер містять набагато більші центральні чорні діри.

Галактики, які залишились маленькими ("карликові галактики"), як правило, важко спостерігати. За нинішніх технологій спостереження їхніх центральних областей надзвичайно складно було б виявити центральну чорну діру. Хоча є багатонадійні кандидати, дотепер не було достеменного виявлення такої чорної діри середньої маси.

Галактика (ядро), що застигла в часі

Омега Центавра особлива. Якби вона колись була ядром окремої галактики, яка потім злилася з Чумацьким Шляхом і втратила в процесі злиття всі зорі, окрім центральної групи, то ядро галактики та її центральна чорна діра були б "заморожені в часі": не було б ніяких подальших злиттів, і центральна чорна діра не мала б можливості зростати.

Чорна діра збереглася б у тому розмірі, який вона мала, коли Омега Центавра була поглинута Чумацьким Шляхом, даючи уявлення про відсутню ланку між ранніми маломасивними чорними дірами та пізнішими надмасивними чорними дірами.

Щоб перевірити цю гіпотезу, необхідно фактично виявити центральну чорну діру в Омезі Центавра, а до цього часу астрономам не вдавалося її виявити. Хоча існували докази з великомасштабних моделей руху зірок у скупченні, ці докази залишали місце для сумнівів: можливо, центральної чорної діри взагалі не було.

Голка в архівній копиці сіна

Коли Надін Неймаєр, керівник групи в Інституті астрономії Макса Планка, та Аніл Сет з Університету Юти у 2019 році розробили дослідницький проєкт, спрямований на краще розуміння історії формування Омеги Центавра, вони зрозуміли, що з′явилася можливість вирішити питання про центральну чорну діру скупчення раз і назавжди: якби вони змогли ідентифікувати очікувані зорі, що швидко рухаються навколо чорної діри в центрі Омеги Центавра, це стало б неспростовним доказом, а також способом виміряти масу цієї чорної діри.

Важкий пошук став завданням Максиміліана Геберле, аспіранта Інституту астрономії імені Макса Планка. Геберле очолював роботу зі створення величезного каталогу руху зірок в Омезі Центавра, вимірюючи швидкості 1,4 мільйона зірок, вивчаючи понад 500 зображень скупчення, зроблених "Габблом". Більшість цих зображень були зроблені з метою калібрування інструментів "Габбла", а не для наукового використання. Але завдяки постійному повторенню вигляду Омеги Центавра вони виявилися ідеальним набором даних для дослідницьких зусиль команди.

Геберле каже: "Шукати високошвидкісні зорі й документувати їхній рух було схоже на пошук голки в копиці сіна". Але врешті-решт Геберле не лише склав найповніший на той час каталог руху зірок в Омезі Центавра. Він також знайшов не одну, а сім голок у своїй архівній копиці сіна: сім промовистих, швидкорухомих зірок у невеликій області в центрі Омеги Центавра.

Відкриваємо чорну діру

Швидкорухомі зорі -- це зорі, які рухаються швидко через наявність концентрованої маси поблизу. Для однієї зорі було б неможливо сказати, чи вона швидка через велику центральну масу, чи через те, що зоря знаходиться дуже близько до центральної маси -- або ж зоря просто летить прямолінійно, не маючи жодної маси в полі зору.

Але сім таких зірок, з різними швидкостями й напрямками руху, дозволили Геберле та його колегам розділити різні ефекти й визначити, що в Омезі Центавра є центральна маса з масою щонайменше 8200 сонць. Зображення не вказують на жодний видимий об′єкт у передбачуваному місці розташування цієї центральної маси, як можна було б очікувати для чорної діри.

Ширший аналіз не лише дозволив Геберле точно визначити швидкості семи його високошвидкісних зірок. Він також звузив місце розташування центральної області діаметром три світлові місяці (на зображеннях - три дугові секунди) в Омезі Центавра.

Крім того, аналіз надав статистичне підтвердження: одна окрема високошвидкісна зоря на зображенні може навіть не належати до Омеги Центавра. Це може бути зоря за межами скупчення, яка випадково проходить прямо позаду або перед центром Омеги Центавра. З іншого боку, спостереження семи таких зірок не може бути чистим збігом і не залишає місця для інших пояснень, окрім чорної діри.

Нарешті чорна діра середньої маси

Ноймайєр каже: "Попередні дослідження викликали критичні запитання: "А де ж високошвидкісні зорі?". Тепер ми маємо відповідь на це питання та підтвердження того, що Омега Центавра містить чорну діру середньої маси. На відстані близько 18 000 світлових років це найближчий відомий приклад масивної чорної діри".

Надмасивна чорна діра в центрі Чумацького Шляху знаходиться на відстані близько 27 000 світлових років. Дослідники зазначають, що це відкриття не тільки обіцяє вирішити десятирічну дискусію про чорну діру середньої маси в Омезі Центавра; воно також є найкращим кандидатом на виявлення чорної діри середньої маси взагалі.

З огляду на свої висновки, Ноймаєр, Геберле та їхні колеги тепер планують дослідити центр Омеги Центавра ще детальніше. Вони вже мають дозвіл на вимірювання високошвидкісного руху зірки у напрямку до Землі або від Землі (променева швидкість) за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба, а майбутні інструменти (GRAVITY+ на VLT ESO, MICADO на Надзвичайно великому телескопі) можуть визначити зоряні позиції ще точніше, ніж Габбл.

Довгострокова мета -- визначити, як зорі прискорюються: як викривляються їхні орбіти. Однак, спостереження за цими зорями по всій їхній орбіті, як у нобелівських спостереженнях біля чорної діри в центрі Чумацького Шляху, є проєктом для майбутніх поколінь астрономів.