В огромном саду Вселенной из семян выросли самые тяжелые черные дыры. Взращенные газом и пылью, которые они потребляли, или слиянием с другими плотными объектами, эти семена выросли в размерах и весе, образуя центры галактик, такие как наш Млечный путь. Но в отличие от растений, семена гигантских черных дыр, должно быть, тоже были черными дырами. И никто еще не нашел эти семена - пока.
Одна идея состоит в том, что сверхмассивные черные дыры - эквивалент сотен тысяч или миллиардов Солнц по массе - выросли из популяции более мелких черных дыр, которые никогда не были замечены. Эта неуловимая группа, так называемые «черные дыры средней массы», будет весить где-то между 100 и 100 000 массами Солнц. Среди сотен черных дыр, найденных до сих пор, было множество относительно небольших, но ни одна из них точно не обнаружена в «пустыне» промежуточного диапазона масс.
Ученые работают с мощными космическими телескопами из НАСА, а также с другими обсерваториями, чтобы выследить крупные объекты, которые соответствуют описанию этих экзотических объектов. Они нашли десятки возможных кандидатов и работают над тем, чтобы подтвердить их как черные дыры. Но даже если они это сделают, это открывает совершенно новую загадку: как образовались черные дыры средней массы?
«Удивительно то, что люди потратили так много времени, пытаясь найти эти черные дыры промежуточной массы, ведь они проливают свет на процессы, которые произошли в ранней Вселенной», - сказала Фиона Харрисон, профессор физики в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене, штат Калифорния, и главный исследователь миссии НАСА« NuSTAR », которой управляется Лаборатория реактивного движения.
Черная дыра 101
Черная дыра - чрезвычайно плотный объект в космосе, из которого не может вырваться свет. Когда материал падает в черную дыру, у него нет выхода. И чем больше черная дыра поглощает, тем больше она растет как по массе, так и по размеру.
Самые маленькие черные дыры называются «черными дырами звездной массой» и имеет массу от 1 до 100 масс Солнца. Они образуются, когда звезды взрываются в бурных процессах, называемых сверхновыми.
Сверхмассивные черные дыры, с другой стороны, являются центральными якорями больших галактик - например, наше Солнце и все другие звезды Млечного Пути вращаются вокруг черной дыры, называемой Стрелец A *, которая весит около 4,1 миллиона солнечных масс. Еще более тяжелая черная дыра - с колоссальными 6,5 миллиардами солнечных масс - служит центральным элементом для галактики Мессье 87 (M87). Сверхмассивная черная дыра M87 была впервые сфотографирована с помощью телескопа Event Horizon, который показал черную дыру и ее «тень». Эта тень вызвана горизонтом событий, точкой невозврата черной дыры, изгибающей и захватывающей свет своей сильной гравитацией.
Сверхмассивные черные дыры зачастую имеют диск материла вокруг себя, называемым «аккреционным диском», состоящим из чрезвычайно горячих высокоэнергетических частиц, которые ярко сияют по мере приближения к горизонту событий - области черной дыры, откуда нет возврата. Те черные дыры, у которых наблюдаются постоянное свечение диска из-за поглощения материала, называются «активными ядрами галактики». Плотность вещества, необходимого для создания черной дыры, ошеломляет. Чтобы сделать черную дыру в 50 раз больше массы Солнца, вам нужно было бы упаковать эквивалент 50 Солнц в шар шириной менее 300 километров. Но в случае с центральной частью M87, 6,5 млрд. Солнц были сжаты в шар шире, чем орбита Плутона. В обоих случаях плотность настолько высока, что исходный материал должен был разрушиться в особенность - разрыв в ткани пространства-времени.
Ключом к загадке происхождения черных дыр является физический предел того, насколько быстро они могут расти. Даже гигантские монстры в центрах галактик имеют ограничения в своем обжорстве, потому что определенное количество материала отталкивается высокоэнергетическим излучением, исходящим от горячих частиц, ускоренных вблизи горизонта событий. Например, если просто съесть окружающий материал, черная дыра с низкой массой может удвоить свою массу только через 30 миллионов лет.
«Если вы начнете с массы 50 солнечных масс, вы просто не сможете увеличить ее до 1 миллиарда солнечных масс за 1 миллиард лет», - сказал Игорь Чилингарян, астрофизик из Смитсоновской астрофизической обсерватории в Кембридже, штат Массачусетс, и Московского государственного университета. Но «как мы знаем, существуют сверхмассивные черные дыры, которые образовались менее чем через 1 миллиард лет после образования Вселенной».
Как образовались неуловимые черные дыры промежуточной массы?
В начале истории Вселенной семя черной дыры средней массы могло образоваться либо в результате коллапса большого плотного газового облака, либо в результате взрыва сверхновой. Самые первые звезды, которые взорвались в нашей Вселенной, имели чистый водород и гелий в своих внешних слоях с более тяжелыми элементами, сконцентрированными в ядре. Это рецепт для гораздо более массивной черной дыры, чем взрывающиеся современные звезды, которые «загрязнены» тяжелыми элементами в своих внешних слоях и поэтому теряют большую массу из-за звездного ветра.
Одно из свидетельств того, что черные дыры средней массы все еще могут существовать, пришло от Лазерной интерферометровой гравитационно-волновой обсерватории Национального научного фонда (LIGO), в работающем в сотрудничестве института Калтех и Массачусетского технологического института. Детекторы LIGO обнаруживают множество различных слияний черных дыр через рябь в пространстве-времени, называемую гравитационными волнами.
В 2016 году LIGO объявила об одном из самых важных научных открытий за последние полвека: первое обнаружение гравитационных волн. В частности, детекторы, базирующиеся в Ливингстоне, Луизиана, и Хэнфорде, штат Вашингтон, уловили сигнал слияния двух черных дыр. Массы этих черных дыр - в 29 и 36 раз больше массы Солнца соответственно - удивили ученых. Хотя они все еще не являются технически черными дырами промежуточной массой, они достаточно велики.
Вполне возможно, что все черные дыры средней массы уже слились, хотя не исключено, что у нас просто недостаточно развиты технологии для их обнаружения.
Где они?
Искать черные дыры в диапазоне средней массы сложно, потому что черные дыры сами по себе не излучают свет. Тем не менее, ученые могут искать конкретные знаки, используя сложные телескопы и другие инструменты. Например, поскольку поток вещества в черную дыру не является постоянным, комковатость потребляемого материала вызывает определенные изменения в освещении окружающей среды. Такие изменения можно увидеть быстрее в более мелких черных дырах, чем в более крупных.
«В течение нескольких часов вы можете проводить наблюдательную кампанию, которая для классических активных ядер галактик занимает месяцы», - сказал Чилингарян.
Самый многообещающий кандидат в черные дыры средней массы называется HLX-1, масса которого примерно в 20 000 раз больше массы Солнца. HLX-1 расшифровывается как «источник сверхвысокого рентгеновского излучения 1», и его выходная мощность намного выше, чем у звезд, подобных Солнцу. Он был обнаружен в 2009 году австралийским астрономом Шоном Фарреллом с помощью рентгеновского космического телескопа XMM-Newton Европейского космического агентства. В исследовании, проведенном в 2012 году с использованием космических телескопов НАСА "Хаббл" и "Свифт", были обнаружены предположения о скоплении молодых голубых звезд, вращающихся вокруг этого объекта. Возможно, когда-то это был центр галактики-карлика, которую проглотила большая галактика ESO 243-49. По словам Харрисона, многие ученые считают HLX-1 проверенной черной дырой средней массы.
«Цвета рентгеновского света, который он излучает, и то, как он ведет себя, очень похожи на черную дыру», - сказал Харрисон. «У многих людей, включая мою группу, есть программы для поиска объектов, похожих на HLX-1, но пока что ни одна из них не является последовательной. Но охота продолжается».
Менее яркие объекты, которые могут быть черными дырами средней массы, называются ультрафиолетовыми источниками рентгеновского излучения или ULX. Мерцающий ULX под названием NGC 5408 X-1 особенно заинтриговал ученых, ищущих черные дыры средней массы. Но рентгеновские обсерватории НАСА и Чандра удивили ученых тем, что обнаружили, что многие объекты ULX, которые не являются черными дырами. Вместо этого они являются пульсарами - чрезвычайно плотными звездными остатками, которые пульсируют как маяки.
M82 X-1, самый яркий рентгеновский источник в галактике M82, является еще одним очень ярким объектом, который, кажется, мерцает во временных масштабах, согласующихся с черной дырой промежуточной массы. Эти изменения в яркости связаны с массой черной дыры и вызваны вращением материала вблизи внутренней области аккреционного диска. В исследовании, проведенном в 2014 году, были рассмотрены конкретные вариации рентгеновского света и установлено, что масса M82 X-1 составляет около 400 Солнц. Ученые использовали архивные данные со спутника НАСА Rossi X-Ray Timing Explorer (RXTE) для изучения этих вариаций яркости рентгеновского излучения.
Совсем недавно ученые исследовали большую группу возможных черных дыр средней массы. В 2018 году Чилингарян и его коллеги описали выборку из 10 кандидатов, повторно проанализировав оптические данные из Sloan Digital Sky Survey и сопоставив начальные данные с рентгеновскими данными от Chandra и XMM-Newton. Сейчас они разрабатывают наземные телескопы в Чили и Аризоне. Мар Мескуа из Испанского института космических наук провел отдельное исследование 2018 года, также используя данные Чандры, обнаружив 40 растущих черных дыр в карликовых галактиках, которые могли бы находиться в этом диапазоне средних масс. Но Мескуа и его коллеги утверждают, что эти черные дыры возникли в результате коллапса гигантских облаков, а не в результате звездных взрывов.
Что дальше?
Карликовые галактики - интересные места для продолжения поиска, потому что, теоретически, меньшие звездные системы могут содержать черные дыры гораздо меньшей массы, чем те, которые находятся в центрах более крупных галактик, таких как наша.
По той же причине ученые также проводят поиск шаровых скоплений - сферических скоплений звезд, расположенных на окраинах Млечного Пути и других галактик.
Охотники за черными дырами промежуточной массы с нетерпением ждут запуска космического телескопа НАСА Джеймса Уэбба, который способен будет разглядеть зарождение первых галактик. Уэбб поможет астрономам выяснить, что появилось раньше - галактика или ее центральная черная дыра - и как эта черная дыра могла быть образована. В сочетании с рентгеновскими наблюдениями инфракрасные данные Уэбба будут важны для выявления некоторых из самых древних кандидатов в черные дыры.
Еще один новый инструмент, запущенный в июле российским космическим агентством Роскосмос, называется Spectrum X-Gamma, космический аппарат, который будет сканировать небо в рентгеновских лучах и оснащенный инструментом с зеркалами, разработанным и изготовленным совместно с Центром космических полетов НАСА Marshall в Хантсвилле, штат Алабама. Информация о гравитационных волнах, поступающая от сотрудничества LIGO-Virgo, также поможет в поиске, как и запланированная миссия Европейского космического агентства по космической антенне лазерного интерферометра (LISA).
Этот парк новых инструментов и технологий, в дополнение к существующим, поможет астрономам, продолжая исследовать космический сад на предмет семян черных дыр и галактик, подобных нашей.
Источник: https://phys.org/news/2019-09-black-hole-seeds-cosmic-garden.html