У липні одразу дві команди астрономів оголосили про відкриття чорних дір середньої маси. Ці об’єкти, маса яких складає від 100 до 100 тис. сонячних, тривалий час ховалися від астрономів і досі багато в чому залишаються загадкою для них.
Чорні діри різних мас
Чорна діра — це область простору, гравітація якої настільки сильна, що перша космічна швидкість для неї дорівнює швидкості світла. Це означає, що ніщо у Всесвіті, включно з електромагнітним випромінюванням, не може покинути їх. Нещодавно вчені повідомили про знахідку нових представників цього класу об’єктів.
Чорні діри тривалий час залишалися суто теоретичним об’єктом. Ще в середині XX століття стали відомими перші об’єкти, які могли б бути ними, але впевненості в тому не було. Широко відомим стало парі, укладене 1974 року між фізиками Стівеном Гокінгом та Кіпом Торном.
У центрі його було питання про те, чи є відоме джерело Лебідь X-1 чорною дірою. Торн стверджував, що так, Гокінг — що ні. Парі було жартівливим, оскільки насправді обидва науковці були переконані в існуванні подібних об’єктів.
Однак ставки були реальними: річна підписка на «Пентхаус» у випадку перемоги Торна та чотирирічна — на журнал Private Eye, якщо правим виявиться Гокінг. Суперечка вирішилася тільки у 1990 році, коли було остаточно встановлено, що Лебідь X-1 — подвійна система, до складу якої входить чорна діра масою у 14,8 раза більшою за сонячну.
При цьому теоретично вони могли б бути будь-якої маси, починаючи від розміру, набагато меншого за протон, і завершуючи усім Всесвітом. Але на практиці, ще до того, як перші з них таки були знайдені, вчені зрозуміли, що найменші їхні представники, якщо вони й утворилися на самому початку існування Всесвіту, то зараз вже мали б випаруватися внаслідок процесу, відомого як випромінювання Гокінга.
Тому коли у 1990-х роках науковці таки виявили перші чорні діри, вже було зрозуміло, що ті з них, що мають масу у 8–10 разів більшу за сонячну, можна вважати маленькими. Їх називають «чорні діри сонячної маси». Вони є результатом перетворення масивних світил на наднові, коли ядро зорі стискається настільки сильно, що речовина в ньому руйнується не лише на рівні ядер атомів, а й тих частинок, з яких вони складаються.
Паралельно були відкриті надмасивні чорні діри, маса яких в мільйони та мільярди разів перевищує сонячну. Найближчий до нас представник цього класу об’єктів називається Стрілець А*, його маса у 4,3 млн разів більша, ніж у нашого світила, і розташована ця чорна діра на відстані 26 тис. св. років від нас. Найбільші ж чорні діри можуть мати маси в десятки мільярдів разів більші за сонячну. Вважається, що всі вони розташовані в центрах великих галактик.
Чорні діри середньої маси
Проблема в тому, що в сьогоднішньому Всесвіті просто не існує іншого шляху для утворення чорних дір, крім наднових та кілонових, тобто зіткнень нейтронних зір. А значить, навіть якщо зародки надмасивних чорних дір і виникли на початку Всесвіту внаслідок якихось екзотичних для сьогоднішньої фізики процесів, рости вони мали б шляхом злиття чорних дір сонячної маси.
Тобто, крім «маленьких» та надмасивних чорних дір, має існувати чимало об’єктів із масою від 100 до 100 тис. разів більшою, ніж у Сонця, і вони мають час від часу зливатися, утворюючи щось більше. Їх ми й називаємо чорними дірами середньої або проміжної маси.
І головна проблема полягає в тому, що їх має бути надзвичайно багато, але ми їх у космосі практично не бачимо. Точніше, Слоанівський цифровий огляд неба дозволив визначити 305 потенційних кандидатів, проте тільки 10 із них мають виразне рентгенівське випромінювання, яке свідчить, що там справді може бути чорна діра, оточена акреційним диском з речовини.
Чому чорні діри середньої маси так важко знайти?
Головна проблема з чорними дірами середньої маси така ж, як і з їхніми меншими та більшими родичами — самих їх ми побачити не можемо. Їх видає лише взаємодія з навколишньою матерією: акреційні диски, жорстке випромінювання, зорі, що різко змінюють свій рух без видимої причини.
І, схоже, чорні діри проміжної маси ховаються від нас занадто добре. Де б вони не були, поруч із ними не так багато речовини, щоб ми побачили взаємодію з нею.
Саме тому повідомлення про відкриття чорних дір середньої маси з’являлися вже неодноразово. Наприклад, перше з них науковці зробили ще у 2004 році. Тоді дослідники дійшли висновку, що джерело рентгенівського та інфрачервоного випромінювання GCIRS 13E, що розташоване поруч із центром галактики, містить чорну діру з масою у 1300 разів більшою за сонячну.
Щоправда, решта дослідників із цим висновком не погодилася. Річ у тім, що GCIRS 13E є маленьким скупченням, що складається з 15 щільних газових областей і чотирьох масивних зір. Якби там була чорна діра проміжної маси, то останні навряд чи могли б утворитися. Тож питання, що там є насправді, залишається відкритим досі.
Проте мисливці за чорними дірами середньої маси не здалися. У 2006 році група дослідників припустила, що ультраяскраве джерело рентгенівського випромінювання M82 X-1, що розташоване у галактиці, віддаленій від нас на 12 млн світлових років, є об’єктом, який усі шукають. Наявність високочастотного випромінювання ніби свідчила на користь цього, але решта свідчень виявилася непереконливими.
У 2009 інша група вчених звернула увагу на ще яскравіше джерело рентгенівського випромінювання HLX-1. Воно розташоване у галактиці ESO 243-49, віддаленій від нас на 290 млн св. років.
Цього разу наукову спільноту все ж вдалося переконати, що там справді може бути чорна діра, хоча на такій відстані побачити аномальний рух зір, який однозначно свідчив би про наявність невидимого масивного об’єкта, неможливо. Проте HLX-1 і зараз вважається одним із найкращих кандидатів у чорні діри проміжної маси.
Кулясті скупчення та карликові галактики
Ще при дослідженні HLX-1 вчені припустили, що це можуть бути залишки карликової галактики, зруйнованої іншою галактикою — ESO 243-49. Це примусило їх замислитися над тим, що, можливо, найкраще місце для пошуку чорних дір середньої маси — великі зоряні скупчення та супутники великих зоряних систем.
Насправді це можуть бути одні й ті самі об’єкти на різних стадіях свого існування. Зараз вважається доведеним, що більші галактики поглинають менші й таким чином ростуть. Однак відбувається це не миттєво, а впродовж сотень мільйонів і мільярдів років. Увесь цей час ядра колишніх галактик, що втратили більшу частину своїх зір, продовжують існувати як масивні скупчення. І саме там варто шукати чорні діри середньої маси.
Подальші дослідження показали, що це дійсно може бути так. Наприклад, 2017 року науковці повідомили про можливе існування чорної діри середньої маси у кулястому скупченні 47 Тукана, розташованому в нашій Галактиці, 2021-го — у скупченні B023-G78 в галактиці Андромеди, 2023-го — у скупченні М4, яке теж розташоване недалеко від нас. Хоча були й випадки, пов’язані не зі скупченнями, а з газовими хмарами.
І ось, 2024 року, сталося чергове «сенсаційне відкриття». Одразу дві команди оголосили про виявлення чорних дір середньої маси у нашій Галактиці. Перший випадок стосується одного з наймасивніших скупчень Чумацького Шляху — Омега Центавра. Воно має масу в 4 млн разів більшу, ніж Сонце, а його хімічний склад відчутно відрізняється від більшості зір Чумацького Шляху. Усе це свідчить на користь того, що це — рештки карликової галактики.
З 2008 року вчені двічі вже припускали, що всередині Омеги Центавра може ховатися чорна діра середньої маси. Кожного разу їхній висновок базувався на аналізі швидкостей зір у скупченні, але маса невидимого об’єкта називалася різна. Дослідження, опубліковане 10 липня цього року, свідчить, що вона становить 8200 сонячних мас.
Друге відкриття стосується невеличкого скупчення IRS 13, яке розташоване поруч із центром Чумацького Шляху. Спостереження одразу в кількох діапазонах показали, що в ньому присутній диск, всередині якого речовина переміщується зі швидкістю 100 км/с. Нічим іншим, крім чорної діри середньої маси, це не поясниш.
Поява та еволюція чорних дір
Насправді питань щодо чорних дір проміжної маси залишилося ще дуже багато. По суті, останні відкриття дозволяють більш-менш впевнено говорити, що вони таки існують. Адже досі зберігалася ймовірність, що насправді їх немає.
Проте так і залишилося питання щодо того, як вони утворюються і де їх треба шукати, й насправді це частини однієї й тієї самої проблеми. Адже умови, в яких чорні діри утворюються, визначає спосіб, в який це відбувається.
Щодо цього є три головних припущення. Перше — це варіант чисто механічного злиття двох чорних дір. Такі події відбуваються — ми вловлюємо гравітаційні хвилі від них. Однак наскільки часто це стається і яку роль у цьому відіграють скупчення, сказати важко.
Другий варіант — злиття масивних зір, внаслідок яких утворюються об’єкти з масами у 100 разів більшими за сонячну. Вони швидко колапсують і утворюють чорні діри середньої маси. У цьому сценарії більшість із них ми маємо знайти саме у скупченнях.
Нарешті, є третій варіант, в якому зародками чорних дір середньої маси виступають первинні чорні діри. Вони утворилися на самому початку Всесвіту внаслідок процесів, відмінних від зоряного колапсу, і за цей час мали б набрати чималу масу. Однак в такому випадку не зовсім зрозумілим залишається їхній зв’язок з об’єктами зоряної маси, надмасивними чорними дірами, галактиками та скупченнями.
Який із варіантів є правильним, можуть показати наступні дослідження.
