Международный коллектив астрофизиков подтвердил1 выдвинутую шестнадцать лет назад гипотезу о существовании черной дыры промежуточной массы в центре самого массивного звездного шарового скопления в нашей галактике ω Центавра, также известного под обозначением NGC 5139.
Черные дыры настолько известны, что вряд ли стоит рассказывать об их теоретическом предсказании, реальном открытии (точнее, открытиях), методах наблюдения и физической природе. Отмечу только, что сейчас точно установлено существование двух семейств черных дыр, чьи массы либо лежат в интервале приблизительно от 3–5 до 150–180 солнечных, либо измеряются миллионами и даже миллиардами масс Солнца. Черные дыры первой группы рождаются после гибели звезд с начальными массами не менее 20 солнечных, которые полностью сжигают свое термоядерное топливо и претерпевают гравитационный коллапс. Эта судьба ожидает в среднем лишь одну-две звезды главной последовательности из тысячи, поскольку остальные при рождении имеют меньшие массы. Черные дыры второго семейства, которые принято называть сверхмассивными, содержатся в ядрах абсолютного большинства галактик, включая и Млечный Путь. Хотя сценарии их формирования пока недостаточно изучены, принято считать, что они появляются из зародышевых черных дыр меньшей массы, которые постепенно растут как в результате аккреции газа и пыли из прилегающих областей галактических ядер, так и в процессе столкновений с другими черными дырами и/или нейтронными звездами. Стоит отметить, что в последние годы такие столкновения удалось зарегистрировать с помощью американского детектора гравитационных волн LIGO, его европейского партнера Virgo и японского детектора KAGRA.
а. Сплошные серые маркеры обозначают звезды с высококачественными (HQ) измерениями собственного движения в новом каталоге в пределах области 40’’× 40’’ с центром в AvdM10. Розовым цветом отмечены звезды (качественные данные) со скоростями, превышающими скорость убегания в скоплении (62 км/с), лежащие на главной последовательности скопления на диаграмме цвет — величина звезд ω Центавра (рис. 2). У закрашенных маркером звезд скорость превышает скорость убегания с достоверностью минимум 3σ (в отличие от незакрашенных маркером), у прочих звезд скорость не превышает скорость убегания.
b. Итоговое изображение внутренней области ω Центавра с использованием всех наблюдений. Отмечены быстродвижущиеся звезды и направления их движения1
Огромный разрыв между массами послезвездных и сверхмассивных черных дыр уже давно вызвал к жизни гипотезу о существовании дыр с промежуточными массами, лежащими в диапазоне 100–100 000 солнц. Хотя она выглядит совершенно естественной и в каком-то смысле даже необходимой, в ее пользу пока что не накопилось достаточного количества данных наблюдений. Первым таким подтверждением стало гравитационно-волновое детектирование столкновений и слияний черных дыр с массами 105,5 и 57,2 солнечной, о котором было объявлено в 2020 году. В результате возникла черная дыра с массой порядка 150 солнечных, что лежит у нижней границы предполагаемого диапазона промежуточных масс. Позднее тем же способом удалось зарегистрировать еще несколько подобных слияний, которые закончились рождением дыр с близкими по величине массами. Кроме того, в последние годы методами звездной астрометрии и рентгеновской астрономии были найдены кандидаты в черные дыры с массами в десятки тысяч солнечных, лежащими недалеко от верхней границы этого диапазона. Эти результаты очень важны, но пока, к сожалению, весьма малочисленны.
Глобулярный кластер ω Центавра считается весьма перспективным потенциальным вместилищем черной дыры промежуточной массы. От Солнца его отделяет сравнительно небольшое расстояние — 5,43 кпк, или чуть больше 17 тыс. световых лет. Он виден с Земли невооруженным глазом и потому в качестве звезды был известен античным астрономам, включая Клавдия Птолемея. Этого статуса он лишился только в XVII столетии, а в 1826 году шотландский астроном Джон Данлоп впервые описал его как шаровое звездное скопление, или глобуляр.
Этот кластер довольно необычен. При диаметре 150 световых лет он содержит около 10 млн звезд с общей массой примерно 4 млн солнечных, что на порядок превышает типичные массы других крупных шаровых скоплений. Его звездное население начало формироваться 12 млрд лет назад и закончило этот процесс только спустя 2 млрд лет. Так что звезды этого глобуляра имеют разный возраст и к тому же отличаются по типу и химическому составу. В этом отношении он тоже выделяется из абсолютного большинства известных шаровых скоплений, которые состоят из близких по составу звезд-ровесниц.
Эти аномалии позволяют предположить, что в далеком прошлом NGC 1539 был карликовой галактикой, которая со временем попала в гравитационный плен Млечного Пути. Согласно этому допущению, в своем прежнем качестве он мог содержать центральную черную дыру, которая вместе с ним перекочевала в нашу Галактику. В силу той же логики, благодаря карликовости этой галактики дыра могла не дорасти до сверхмассивности и задержаться на уровне промежуточной массы.
Первое подтверждение этой гипотезы появилось в 2008 году. Его опубликовали трое астрономов из ФРГ и США, которые работали с информацией, полученной в ходе наблюдений на орбитальном телескопе «Хаббл» и расположенном в Чили телескопе Gemini South. Анализируя спектральные характеристики и движение звезд в центре кластера, Ева Нойола и ее коллеги пришли к заключению, что там может находиться черная дыра с массой порядка 40 тыс. солнц. Однако два года спустя их выводы были поставлены под сомнение сотрудниками Института исследований космоса с помощью космического телескопа в Балтиморе Джеем Андерсоном и Роландом ван дер Марелом. Они не опровергли самого существования черной дыры в кластере NGC 1539, однако снизили ее возможную массу до 12 тыс. солнечных. Так что вопрос в конечном счете остался открытым.
Теперь перейдем к новой публикации в Nature. Ее авторы проанализировал кинематику 150 тыс. звезд этого кластера, используя двадцатилетний архив данных телескопа «Хаббл» и обнаружили семерку звезд с аномально высокими скоростями, расположенных в пределах трех угловых секунд, или 0,08 пк, от центра кластера. Полученная из вычислений двумерная скорость разбегания звезд центра кластера (т. е. проекция физической скорости на плоскость, перпендикулярную направлению на Солнце) составляет 62 км/с, в то время как для быстрейшей из выделенных светил этот показатель равен 113 км/с. При таких скоростях они должны были бы покинуть центр кластера всего за тысячу лет, а затем и вообще уйти в открытый космос, поскольку тяготение звездного населения кластера не могло бы их удержать. Авторы статьи интерпретировали этот результат как свидетельство в пользу наличия в центре кластера черной дыры, создающей дополнительное притяжение, препятствующее разбеганию этих звезд. Используя данные о кинематике пяти звезд, чьи движения были прослежены с особой надежностью, ученые заключили, что масса дыры не может быть меньше 8200 солнечных. Если учесть оценку Андерсона и ван дер Марела, получится, что речь должна идти о долгожданной дыре промежуточной массы. Если она действительно существует, ее придется считать ближайшей к Земле массивной черной дырой — конечно, пока не появятся другие претенденты на этот титул.
Конечно, это еще не конец истории. Хотя плотность газа внутри кластера ω Центавра и невелика, он должен нагреваться в ходе аккреции на черную дыру и тем самым выдавать ее присутствие своим тепловым излучением. Поиск этого излучения уже запланирован на космическом телескопе «Джеймс Уэбб» (JWST). Предстоит также собрать данные о трехмерных скоростях звезд вблизи центра кластера, что позволит улучшить количественное моделирование их динамики. Для этого понадобятся новые измерительные комплексы, которые предстоит установить на будущих наземных супертелескопах.
Однако начало этим исследованиям уже положено, и они обещают интересные результаты. Если существование дыры в кластере NGC 1539 подтвердится, возникнет вопрос о наличии дыр промежуточной массы в центрах других крупных глобуляров, не являющихся потомками карликовых галактик. В общем, впереди еще много работы.
Алексей Левин
1 Maximilian Häberle et al. Fast-moving stars around an intermediate-mass black hole in ω Centauri. Nature, Vol. 631, 11 July 2024, 285-288.
(3 оценок, среднее: 4,33 из 5)
Загрузка...
Глобулярный кластер у меня вызывает ассоциации чего-то нехорошего из медицины :) Наверное, все-таки, лучше пользоваться термином «шаровое скопление» в русскоязычной литературе.. Отмечу, что и в профессиональной англоязычной литературе я использовал термин ‘star cluster’ для таких объектов. Это раз. А два это то, что померянные скорости не сильно то и больше скоростей убегания, наверное, можно придумать какие-то звездно-динамические процессы, которые, возможно, приведут к необходимому количеству звезд с такими скоростями. Поэтому, имхо, нужно действительно подождать подтверждения наличия ЧД из наблюдения принципиально других эффектов, типа наличия точечного источника переменного незвездного излучения в каком-либо диапазоне. До этого говорить о однозначном открытии ЧД промежуточном массы явно преждевременно.
Ну, и чтобы не бегать по разным статьям, отмечу тут, что в статье Штерна Б.Е. фигурирует какой-то «базар» в одном месте.
Там используется в основном «шаровое скопление», ну видимо автор для разнообразия чтобы не повторяться какой-то еще альтернативный термин помянул…
У Бориса Штерна блазар почти всюду, но где-то с опечаткой (автоматическое распознавание + замыленный глаз), спасибо, исправили.
Globular cluster — стандартный английский термин для подобных штучек, только по русски, имхо, звучит как-то не очень..ну, а что касается Штерна, то было бы конечно круче, если бы у него почти всюду был базар :)
Странно, почему только в России слово Кентавр изуродовали на бессмысленное слово центавр?
Шаровое звёздное скопление переводится на английский на непонятное словосочетание globular claster и на
Star cluster — то, что используется во французcком и русском.
В globular claster не указывается, что это кластер из звезд, в центре которого может находиться черная дыра.
Русский язык намного удобнее и четче, понятнее, чем бедный язык каторжников и пиратов из Англии. В древности в Англии говорили на французском.
Hа современном гербе Великобритании еcть надпись на французском: «Dieu et mon droit» («Бог и мое право»). Она размещена внизу, под основной частью герба. Щит, располагающийся в его середине, опоясывает лента с другой франц. надписью: «Honni soit qui mal y pense» («Пусть будет стыдно тому, кто плохо подумает об этом»).