В Млечном Пути нашли кандидата в экзотические черные дыры

Черная дыра в шаровом скоплении в представлении художника

ESA / Hubble

Астрофизики из США и Австралии нашли свидетельства существования черной дыры промежуточной массы в одном из шаровых скоплений в гало Млечного Пути. Этот объект не виден в радио и рентгеновском диапазоне, однако влияет на движение окружающих пульсаров. Если в будущем исследователи смогут обнаружить и другие «промежуточные» черные дыры, то это позволит объяснить, как в молодой Вселенной возникли более крупные, сверхмассивные черные дыры. Статья ученых опубликована в журнале Nature.

Чаще всего в астрофизике говорят о двух типах черных дыр. Первые образуются в результате гибели очень крупных звезд и имеют, соответственно, звездные массы — примерно от 3 до 20 масс Солнца. Вторые находятся в центрах крупных галактик, и масса их может колебаться от миллионов и до десятков миллиардов солнечных масс. Считается, что такие гигантские, или сверхмассивные, объекты формируются в результате коллапса вещества в центрах крупных галактик, а затем быстро растут, поглощая окружающую материю и другие черные дыры.

Однако некоторое время назад астрофизики предположили, что должен существовать и третий, «промежуточный», тип. Дело в том, что ученые начали находить очень далекие квазары — активные центры галактик со сверхмассивными черными дырами внутри. Это означает, что гигантские черные дыры должны были существовать уже в молодой Вселенной, но как им удалось так быстро достигнуть подобного размера — непонятно, так как законы физики накладывают определенные ограничения на скорость их роста (подробнее читайте в нашем материале). Поэтому исследователи посчитали, что процесс образования сверхмассивных черных дыр мог идти параллельно: сначала несколько небольших черных дыр набирали среднюю, промежуточную, массу, а потом сливались, формируя один крупный объект.

Предполагается, что только в нашей Галактике должно быть порядка сотен черных дыр промежуточной массы, однако увидеть их почти не удается. Поэтому астрофизики активно «охотятся» за ними, в том числе и косвенными методами, то есть не наблюдая излучение, возникающее при аккреции вещества.

Авторы новой работы исследовали шаровое скопление 47 Тукана, расположенное в 13 тысячах световых лет от Земли в гало Млечного Пути. Оно содержит тысячи «обычных» звезд и 25 пульсаров — нейтронных звезд, испускающих мощные, строго периодические импульсы электромагнитного излучения. Долгое время ученые предполагали, что в центре 47 Тукана может находиться черная дыра, однако ее нельзя было обнаружить ни в радио, ни в рентгеновском диапазоне, так как в этой области недостаточно вещества, чтобы сформировать заметный аккреционный диск. 

Поэтому авторы работы построили модель шарового скопления на основе дисперсии скоростей звезд и наблюдаемого профиля плотности. В симуляции N-тел они рассмотрели случаи, когда в центре 47 Тукана не было черной дыры и когда там находился объект с массой 0,5 или 1 процент от общей массы скопления. Каждая модель показывала пространственное распределение и движение всех звезд кластера, в том числе и нейтронных звезд. Исследователи измерили их ускорение, а потом сравнили с ускорением 25 известных пульсаров. Выяснилось, что наиболее достоверной моделью является та, у которой в середине находится черная дыра промежуточной массы.

Согласно оценкам, ее масса колеблется от 3,7 до 1,4 тысяч масс Солнца, а среднее значение приходится на 2,2 тысяч солнечных масс. Однако даже с учетом погрешности, этот объект все равно представляет собой черную дыру промежуточной массы.

Таким образом, исследователи предполагают, что им удалось найти свидетельства существования «невидимой» черной дыры промежуточной массы. Подобные объекты могут находиться в центрах и других шаровых скоплений, образовавшихся в молодой Вселенной. Авторы работы считают, что в будущем их также можно будет обнаружить аналогичным методом.

Тем не менее, не все черные дыры промежуточной массы находятся в пустых областях космоса, где нет окружающего вещества. По мнению некоторых астрофизиков ультрамощные рентгеновские источники также могут быть связаны с черными дырами. Недавно ученым удалось обнаружить 98 таких кандидатов в «промежуточные» черные дыры.

Кристина Уласович