На расстоянии в 800 миллионов световых лет от нас в пустоте космоса находится крупная линзовидная галактика. Несколько лет назад учёные заметили рядом с ней вспышку в рентгеновском и оптическом диапазоне. Наилучшим её объяснением была космическая катастрофа: разрыв звезды приливными силами чёрной дыры промежуточной массы. Были, однако, и другие версии. Например, эту вспышку можно объяснить излучением охлаждающейся нейтронной звезды в нашей Галактике. Чтобы исключить неверные варианты, международная команда астрономов провела наблюдения её источника с помощью космических телескопов Hubble, XMM-Newton и Chandra.
Чёрные дыры — это области пространства, у которых гравитационное притяжение настолько велико, что даже свет не может их покинуть. Они предсказаны и описаны общей теорией относительности Эйнштейна. До 60-х годов прошлого века чёрные дыры считались лишь интересным математическим курьёзом. Однако с открытием в 1967 году нейтронных звёзд пришло понимание, что они могут быть реальностью. Вскоре учёные разработали их классификацию и описали точную математическую модель.
Чёрные дыры можно разделить на пять классов по массе:
▫️Ультрамассивные чёрные дыры. Это вселенские чудовища более чем в 10 миллиардов раз тяжелее Солнца.
▫️Сверхмассивные чёрные дыры. Они встречаются в центрах галактик и «весят» от 100 тысяч до 10 миллиардов масс Солнца.
▫️Чёрные дыры промежуточной массы лежат в пределах от нескольких десятков до 100 тысяч масс Солнца.
▫️Чёрные дыры звёздной массы — от 2,74 до нескольких десятков масс Солнца.
▫️Чёрные микродыры, гипотетический тип с массой от 21,76 нанограмм до массы Луны.
Помимо гипотетических чёрных микродыр, до сих пор достоверно не обнаружены чёрные дыры промежуточной массы. Это необычный класс объектов: они слишком велики, чтобы образоваться при гравитационном коллапсе звёзд. Механизмы их формирования неизвестны, и непонятно, насколько они распространены во Вселенной.
Имеется лишь несколько кандидатов в такие объекты. Это сверхяркие рентгеновские источники, которые располагаются вне галактических ядер. Они могут существовать в центрах шаровых скоплений и в карликовых галактиках. Доказательство того, что эти кандидаты в самом деле чёрные дыры промежуточной массы — сложная задача. До сих пор нет единого метода измерения их массы. Оценки их влияния на шаровые скопления сильно разнятся в зависимости от используемой модели и легко ставятся под сомнение. В случае со сверхяркими рентгеновскими источниками, чёрную дыру промежуточной массы сложно отличить от более далёких активных ядер галактик или поглощающих материю нейтронных звёзд нашей Галактики.
Один из таких кандидатов — рентгеновский источник 3XMM J215022.4−055108 (далее J2150−0551). Он был обнаружен в 2006 году, когда претерпел вспышку в мягком рентгеновском диапазоне. Она продолжалась более десятилетия, а сам источник был обнаружен ещё и в оптическом диапазоне. Особенность этого рентгеновского источника в том, что он расположен не в центре галактики, а в звёздном скоплении на её краю. Самое правдоподобное объяснение его вспышки состоит в том, что чёрная дыра промежуточной массы разорвала приливными силами звезду, которая подошла слишком близко. А сейчас она должна активно поглощать вещество своей жертвы. В ходе этого процесса вокруг черной дыры формируется аккреционный диск из материи разрушенной звезды и начинает излучать в рентгеновском диапазоне. Исходя из яркости и спектра излучения, масса чёрной дыры и уничтоженной ею звезды составляют соответственно 5000 и 0,33 масс Солнца.
Существует и другое объяснение наблюдаемого рентгеновского излучения: охлаждение коры нейтронной звезды в нашей Галактике. Такое может случаться после того, как она поглотила порцию вещества и нагрелась. Проблема этой версии в том, что в оптическом диапазоне не было обнаружено никаких признаков аккреции материи. И даже если бы она действительно была, то не смогла бы достаточно нагреть кору нейтронной звезды.
Чтобы подтвердить одну из версий, международная команда учёных провела дальнейшие наблюдения этого рентгеновского источника. Для изучения изменений в спектре и интенсивности рентгеновского излучения от J2150−0551 они использовали космические телескопы XMM-Newton и Chandra. Для наблюдений за источником в оптическом диапазоне и выяснения его углового размера исследователи применяли Hubble.
Наблюдения показали, что мягкое рентгеновское излучение возникает из-за свечения разогретого в аккреционном диске вещества разорванной звезды. Его температура выше, чем в аккреционных дисках сверхмассивных чёрных дыр, и постепенно уменьшается в соответствии с моделями. Это исключает гипотезу об удалённой активной галактике со сверхмассивной чёрной дырой.
На новом снимке Hubble запечатлел видимую компоненту источника (на изображении выделена зелёным квадратом). Это удалось сделать благодаря большему времени экспозиции и лучшей фильтрации околоземных космических лучей, которые оставляют следы на матрице телескопа. Найденный объект компактный, но не точечный. Им может быть гигантское шаровое скопление или, что более вероятно, ядро карликовой галактики, которую когда-то разорвала и поглотила более крупная Gal1.
Сделать такой вывод позволяет несколько фактов. Gal1 переживает период частых поглощений меньших галактик — прямо сейчас она высасывает материал из своего соседа, Gal2. Кроме того, её линзовидная форма говорит о слияниях в прошлом. Наконец, звёздная масса объекта, в котором находится рентгеновский источник, слишком велика, чтобы его можно было отнести к классическим шаровым скоплениям. Она более характерна для ядер карликовых галактик.
Обнаружение не точечного оптического компонента у источника J2150−0551 — значительное достижение. Это позволяет отвергнуть версию, что вспышку породила нейтронная звезда в нашей Галактике. Таким образом, J2150−0551 — это наиболее вероятный кандидат в чёрные дыры промежуточной массы на сегодняшний день.
Чёрные дыры — это одни из самых экстремальных объектов, известных человечеству. Их можно назвать испытательным полигоном для законов физики и нашего понимания принципов работы Вселенной. Могут ли чёрные дыры промежуточной массы вырастать до сверхмассивных? Как они образуются? Плотные шаровые скопления — их основное место обитания? Астрономы разгадали одну загадку, но им ещё предстоит ответить на множество других интересных вопросов.
Источник: arxiv.org
