В июле сразу две команды астрономов объявили об открытии черных дыр средней массы. Эти объекты, масса которых составляет от 100 до 100 тыс. солнечных, долгое время скрывались от астрономов и до сих пор во многом остаются загадкой для них.
Черные дыры разных масс
Черная дыра — это область пространства, гравитация которой настолько сильна, что первая космическая скорость для нее равна скорости света. Это означает, что ничто во Вселенной, включая электромагнитное излучение, не может покинуть их. Недавно ученые сообщили о находке новых представителей этого класса объектов.
Черные дыры долгое время оставались сугубо теоретическим объектом. Еще в середине XX века стали известны первые объекты, которые могли бы быть ими, но уверенности в том не было. Широко известным стало пари, заключенное в 1974 году между физиками Стивеном Хокингом и Кипом Торном.
В центре его был вопрос о том, является ли известный источник Лебедь X-1 черной дырой. Торн утверждал, что да, Хокинг — что нет. Пари было шуточным, поскольку на самом деле оба ученых были убеждены в существовании подобных объектов.
Однако ставки были реальными: годовая подписка на «Пентхаус» в случае победы Торна и четырехлетняя — на журнал Private Eye, если правым окажется Хокинг. Спор разрешился только в 1990 году, когда было окончательно установлено, что Лебедь X-1 — двойная система, в состав которой входит черная дыра массой в 14,8 раз больше солнечной.
При этом теоретически они могли бы быть любой массы, начиная от размера, гораздо меньшего протона, и заканчивая всей Вселенной. Но на практике, еще до того как первые из них таки были найдены, ученые поняли, что самые маленькие их представители, если они и образовались в самом начале существования Вселенной, то сейчас уже должны были бы испариться в результате процесса, известного как излучение Хокинга.
Поэтому когда в 1990-х годах ученые таки обнаружили первые черные дыры, уже было понятно, что те из них, которые имеют массу в 8–10 раз больше солнечной, можно считать маленькими. Их называют «черные дыры солнечной массы». Они являются результатом превращения массивных светил в сверхновые, когда ядро звезды сжимается настолько сильно, что вещество в нем разрушается не только на уровне ядер атомов, но и тех частиц, из которых они состоят.
Параллельно были открыты сверхмассивные черные дыры, масса которых в миллионы и миллиарды раз превышает солнечную. Ближайший к нам представитель этого класса объектов называется Стрелец А*, его масса в 4,3 млн раз больше нашего светила, и находится эта черная дыра на расстоянии 26 тыс. св. лет от нас. Самые большие же черные дыры могут иметь массы в десятки миллиардов раз больше солнечной. Считается, что они все находятся в центрах больших галактик.
Черные дыры средней массы
Проблема в том, что в сегодняшней Вселенной просто не существует другого пути для образования черных дыр, кроме сверхновых и килоновых, то есть столкновений нейтронных звезд. А значит, даже если зародыши сверхмассивных черных дыр и возникли в начале Вселенной в результате каких-то экзотических для сегодняшней физики процессов, расти они должны были бы путем слияния черных дыр солнечной массы.
То есть, кроме «маленьких» и сверхмассивных черных дыр, должно существовать немало объектов с массой от 100 до 100 тыс. раз больше солнечной, и они должны время от времени сливаться, образуя что-то большее. Их мы и называем черными дырами средней или промежуточной массы.
И главная проблема заключается в том, что их должно быть чрезвычайно много, но мы их в космосе практически не видим. Точнее, Слоановский цифровой обзор неба позволил определить 305 потенциальных кандидатов, однако только 10 из них имеют отчетливое рентгеновское излучение, которое свидетельствует, что там действительно может быть черная дыра, окруженная аккреционным диском из вещества.
Почему черные дыры средней массы так трудно найти?
Главная проблема с черными дырами средней массы такая же, как и с их меньшими и большими родственниками — самих их мы увидеть не можем. Их выдает только взаимодействие с окружающей материей: аккреционные диски, жесткое излучение, звезды, резко меняющие свое движение без видимой причины.
И, похоже, черные дыры промежуточной массы скрываются от нас слишком хорошо. Где бы они ни были, рядом с ними не так много вещества, чтобы мы увидели взаимодействие с ним.
Именно поэтому сообщения об открытии черных дыр средней массы появлялись уже неоднократно. Например, первое из них ученые сделали еще в 2004 году. Тогда исследователи пришли к выводу, что источник рентгеновского и инфракрасного излучения GCIRS 13E, находящегося рядом с центром галактики, содержит черную дыру с массой в 1300 раз больше солнечной.
Правда, остальные исследователи с этим выводом не согласились. Дело в том, что GCIRS 13E представляет собой маленькое скопление, состоящее из 15 плотных газовых областей и четырех массивных звезд. Будь там черная дыра промежуточной массы, то последние вряд ли могли бы образоваться. Так что вопрос о том, что там есть, остается открытым до сих пор.
Однако охотники за черными дырами средней массы не сдались. В 2006 году группа исследователей предположила, что ультраяркий источник рентгеновского излучения M82 X-1, находящийся в галактике, удаленной от нас на 12 млн световых лет, является объектом, который все ищут. Наличие высокочастотного излучения будто бы свидетельствовало в пользу этого, но остальные показания оказались неубедительными.
В 2009 другая группа ученых обратила внимание на еще более яркий источник рентгеновского излучения HLX-1. Он находится в галактике ESO 243-49, удаленной от нас на 290 млн св. лет.
На этот раз научное сообщество все же удалось убедить, что там действительно может быть черная дыра, хотя на таком расстоянии увидеть аномальное движение звезд, которое однозначно свидетельствовало бы о наличии невидимого массивного объекта, невозможно. Однако HLX-1 и сейчас считается одним из лучших кандидатов в черные дыры промежуточной массы.
Шаровые скопления и карликовые галактики
Еще при исследовании HLX-1 ученые предположили, что это могут быть остатки карликовой галактики, разрушенной другой галактикой — ESO 243-49. Это заставило их задуматься над тем, что, возможно, лучшее место для поиска черных дыр средней массы — большие звездные скопления и спутники больших звездных систем.
На самом деле это могут быть одни и те же объекты на разных стадиях своего существования. Сейчас считается доказанным, что большие галактики поглощают меньшие и таким образом растут. Однако происходит это не мгновенно, а в течение сотен миллионов и миллиардов лет. Все это время ядра бывших галактик, потерявших большую часть своих звезд, продолжают существовать как массивные скопления. И именно там стоит искать черные дыры средней массы.
Дальнейшие исследования показали, что это действительно может быть так. Например, в 2017 году ученые сообщили о возможном существовании черной дыры средней массы в шаровом скоплении 47 Тукана, расположенном в нашей Галактике, в 2021-м — в скоплении B023-G78 в галактике Андромеды, в 2023-м — в скоплении М4, которое также находится недалеко от нас. Хотя были и случаи, связанные не со скоплениями, а с газовыми облаками.
И вот, в 2024 году произошло очередное «сенсационное открытие». Сразу две команды объявили об обнаружении черных дыр средней массы в нашей Галактике. Первый случай касается одного из самых массивных скоплений Млечного Пути — Омега Центавра. Оно имеет массу в 4 млн раз больше, чем Солнце, а его химический состав ощутимо отличается от большинства звезд Млечного Пути. Все это свидетельствует в пользу того, что это — остатки карликовой галактики.
С 2008 года ученые дважды уже предполагали, что внутри Омеги Центавра может скрываться черная дыра средней массы. Каждый раз их вывод базировался на анализе скоростей звезд в скоплении, но масса невидимого объекта называлась разная. Исследование, опубликованное 10 июля этого года, свидетельствует, что она составляет 8200 солнечных масс.
Второе открытие касается небольшого скопления IRS 13, которое находится рядом с центром Млечного Пути. Наблюдения сразу в нескольких диапазонах показали, что в нем присутствует диск, внутри которого вещество перемещается со скоростью 100 км/с. Ничем другим, кроме черной дыры средней массы, это не объяснишь.
Появление и эволюция черных дыр
На самом деле вопросов относительно черных дыр промежуточной массы осталось еще очень много. По сути, последние открытия позволяют более-менее уверенно говорить, что они таки существуют. Ведь до сих пор сохранялась вероятность, что на самом деле их нет.
Однако так и остался вопрос о том, как они образуются и где их нужно искать, и в действительности это части одной и той же проблемы. Ведь условия, в которых черные дыры образуются, определяет способ, которым это происходит.
Относительно этого есть три главных предположения. Первое — это вариант чисто механического слияния двух черных дыр. Такие события происходят — мы улавливаем гравитационные волны от них. Однако насколько часто это происходит и какую роль в этом играют скопления, сказать трудно.
Второй вариант — слияние массивных звезд, в результате которых образуются объекты с массами в 100 раз больше солнечной. Они быстро коллапсируют и образуют черные дыры средней массы. В этом сценарии большинство из них мы должны найти именно в скоплениях.
Наконец, есть третий вариант, в котором зачатками черных дыр средней массы выступают первичные черные дыры. Они образовались в самом начале Вселенной в результате процессов, отличных от звездного коллапса, и за это время должны набрать немалую массу. Однако в таком случае не совсем понятной остается их связь с объектами звездной массы, сверхмассивными черными дырами, галактиками и скоплениями.
Какой из вариантов правильный, могут показать последующие исследования.
