Мы живем во Вселенной, усеянной черными дырами. Бесчисленное множество звездных масс и сверхмассивных существует в нашей галактике и большинстве других. Вероятно, они существовали как так называемые “первичные” черные дыры в самые ранние эпохи космической истории. Тем не менее, кажется, что существует категория недостающих звеньев: черные дыры средней массы (IMBH). Астрономы искали этих редких созданий в течение многих лет, и есть только одно возможное наблюдение благодаря данным о гравитационных волнах. Итак, где они находятся?
IMBH может быть спрятан в сердцевинах шаровых скоплений. Но, учитывая плотно упакованную природу этих компактных скоплений звезд, как мы узнаем, содержат ли они какие-либо IMBH? Группы исследователей из Японии и Китая предложили несколько способов их поиска. Один из них - поиск быстро движущихся звезд, выброшенных из шаровых скоплений. Другой способ заключается в моделировании столкновений звезд в сердцевинах вновь формирующихся скоплений. Оба метода могут указать путь к большему количеству открытий IMBH.
Что такое черные дыры средней массы?
Эти редкие объекты в значительной степени соответствуют своему названию: черные дыры с массами где-то между их собратьями по звездной массе и сверхмассивными гигантами в сердцах галактик. Они могут содержать массу, в тысячу раз превышающую массу Солнца, что было бы довольно “маленьким”, возможно, до миллиона масс Солнца. За ними находятся сверхмассивные монстры, масса которых в миллионы или миллиарды раз превышает массу Солнца. IMBH возникают не в результате взрывов сверхновых, поскольку нет массивной звезды, достаточно большой, чтобы коллапсировать, образуя IMBH. Рождение IMBH должно включать слияние нескольких массивных объектов. Это делает их более похожими на своих собратьев по сверхмассивной черной дыре.
Итак, где могло произойти такое столкновение? Это помогло бы, если бы у вас было плотное скопление звезд, плотно упакованных вместе. Это описывает шаровые скопления с точностью до буквы T. Они переполнены звездами и, вероятно, имеют хорошую коллекцию очень массивных. Это звезды, которые взрываются как сверхновые и коллапсируют вниз, образуя черную дыру звездной массы. Если в скоплении их достаточно, они могут объединиться и создать IMBH. Другое предложение по созданию IMBH заключается в том, чтобы массивные звезды сталкивались, создавая единый более массивный объект.
Многие шаровые скопления вращаются вокруг ядра галактики Млечный Путь. В некоторых из самых плотных скоплений миллионы звезд притянуты друг к другу силой тяжести. Хорошим примером является скопление Мессье 15 (M15). Оно содержит более 100 000 звезд, втиснутых в область космоса около 175 световых лет в поперечнике. Если в M15 произошли столкновения убегающих звезд или слияние черных дыр звездной массы, этого может быть достаточно для создания IMBH.
Моделирование шаровых скоплений и роста черных дыр средней массы
Другая идея состоит в том, чтобы исследовать образование шаровых скоплений, чтобы увидеть, дает ли это какие-либо подсказки к происхождению и существованию IMBH. Именно так поступила группа ученых из Токийского университета. Они создали усовершенствованное моделирование формирования звездных скоплений, чтобы увидеть, могут ли произойти столкновения массивных звезд и привести к рождению IMBH. Это непростая задача. Предыдущие симуляции предполагали, что звездные ветры унесут необходимые массы, чтобы создать эти недостающие черные дыры.
“Моделирование формирования звездных скоплений было сложным из-за стоимости моделирования”, - сказала руководитель группы Мичико Фуджи. “Мы впервые успешно выполнили численное моделирование формирования шаровых скоплений, моделируя отдельные звезды. Определяя отдельные звезды с реалистичной массой для каждой, мы могли бы реконструировать столкновения звезд в плотно упакованной среде. Для этих симуляций мы разработали новый код моделирования, в котором мы могли бы с высокой точностью интегрировать миллионы звезд.”
Итоговый прогон моделирования показал, что безудержные столкновения привели к сближению очень массивных звезд. Это идеальные кандидаты на роль кандидатов в IMBH. “Наша конечная цель - смоделировать целые галактики путем разрешения отдельных звезд”, - указывает Фуджи на будущие исследования. “По-прежнему сложно моделировать галактики размером с Млечный Путь путем разрешения отдельных звезд с помощью доступных в настоящее время суперкомпьютеров. Однако можно было бы моделировать галактики меньшего размера, такие как карликовые галактики. Мы также хотим нацелиться на первые скопления, звездные скопления, сформировавшиеся в ранней Вселенной. Первые скопления также являются местами, где могут зарождаться IMBH. ”
Убегающие звезды и IMBH
Итак, моделирование показывает, что такие IMBH могут быть возможны в среде шаровых скоплений, но каковы физические доказательства того, что они действительно существуют? На самом деле никто не обнаружил столкновений черных дыр звездной массы внутри скопления, чтобы создать IMBH. Также они не видели столкновений звезд, которые могли бы создать объект—монстр, хотя японское моделирование доказало, что они могут произойти. Теперь фокус в том, чтобы наблюдать оба типа событий. Пока этого не произошло, астрономы могут выяснить, существуют ли IMBH косвенными способами.
Китайская исследовательская группа, возглавляемая Ян Хуаном из Университета Китайской академии наук, недавно опубликовала статью о высокоскоростной звезде, покидающей место столкновения в центре Мессье 15. Звезда под названием J0731 + 3717 была выброшена в результате столкновения с черной дырой средней массы, расположенной очень близко к центру скопления.
J0731+ 3717 был выброшен во время своего высокоскоростного путешествия около 21 миллиона лет назад. Команда исследовала их металличность (то есть соотношение водорода и более тяжелых элементов (астрономы называют их “металлами”)) и обнаружила, что оно соответствует звездам в M15. Блуждающая звезда удаляется от скопления со скоростью около 550 километров в секунду и когда-то “жила” на расстоянии около 1 а.е. от ядра скопления. Команда проанализировала эти измерения и произвела расчеты обратной орбиты этой звезды (и других в пределах 5 кпк от Солнца). Основываясь на своих расчетах, они пришли к выводу, что звезда слишком близко столкнулась с черной дырой средней массы, содержащей около 100 масс Солнца.
Команда предлагает использовать этот метод для доказательства существования других IMBH в похожих средах. Они завершают свою статью анализом будущих наблюдений, чтобы доказать концепцию. “С увеличением мощности продолжающихся Gaia и крупномасштабных спектроскопических исследований мы ожидаем обнаружить десятки случаев в объеме 5 тыс. куб. м и в десять раз больше в объеме 10 тыс. куб. м, что должно пролить свет на понимание эволюционного пути от BH звездной массы к SMBH”.
На изображении:
Шаровое скопление M15 (оно же. Большое скопление Геркулеса). Астрономы подозревают существование в его сердце одной или нескольких черных дыр средней массы.
Фото: NASA / ESA / HST
Дополнительные материалы
