Хаббл нашел неуловимую черную дыру средней массы

При весе примерно в 50 000 масс нашего Солнца, черная дыра средней массы меньше сверхмассивных черных дыр (вес которых миллионы или миллиарды солнечных масс), которые лежат в ядрах больших галактик, но больше, чем черные дыры звездной массы, образованные коллапсом массивной звезды.

Черные дыры средней массы являются долгожданным «недостающим звеном» в эволюции черной дыры. Хотя было несколько других кандидатов, исследователи считают эти новые наблюдения самым убедительным доказательством существования черных дыр средней массы во Вселенной.

Объединенная сила двух рентгеновских обсерваторий и острый взгляд космического телескопа Хаббл смогли обнаружить редкую находку.

«Черные дыры средней массы очень неуловимые объекты, поэтому очень важно тщательно обдумать и исключить альтернативные объяснения для каждого кандидата. Именно это Хаббл позволил сделать для нашего кандидата», - сказал Дачен Лин из Университета Нового Хэмпшир. Результаты опубликованы 31 марта 2020 года в The Astrophysical Journal Letters.

История открытия читается как история о Шерлоке Холмсе, включающая в себя тщательное пошаговое построение дела, необходимое для поимки преступника.

Лин и его команда использовали Хаббл, чтобы проследить за подозреваемым рентгеновской обсерватории Чандра НАСА и рентгеновской миссии XMM-Newton ЕКА. В 2006 году эти спутники обнаружили мощную вспышку рентгеновского излучения, но не смогли определить, возникла ли она изнутри или снаружи нашей галактики. Исследователи связывают это с тем, что звезда разрывается на части после приближения слишком близко к гравитационно мощному компактному объекту, подобному черной дыре.

Источник рентгеновского излучения 3XMM J215022.4-055108 был расположен не в центре галактики, где обычно находятся массивные черные дыры. Это вселяло надежду на то, что виновником стала черная дыра средней массы, но сначала нужно было исключить еще один возможный источник рентгеновской вспышки: нейтронную звезду в нашей галактике Млечный Путь, остывающую после нагревания до очень высокой температуры.

Хаббл был направлен на источник рентгеновского излучения для определения его точного местоположения. Глубокое изображение с высоким разрешением стало убедительным доказательством, что рентгеновское излучение исходит не от изолированного источника в нашей галактике, а в отдаленном плотном звездном скоплении на окраине другой галактики - как раз в таком месте астрономы ожидают найти черная дыра средней массы. Предыдущие исследования Хаббла показали, что масса черной дыры в центре галактики пропорциональна центральному балджу этой галактики. Другими словами, чем массивнее галактика, тем массивнее ее черная дыра. Следовательно, звездное скопление, в котором проживает 3XMM J215022.4-055108, может быть урезанным ядром карликовой галактики с меньшей массой, которая была гравитационно и приливно разрушена из-за тесного взаимодействия с нынешним более крупным хозяином галактики.

Черные дыры средних масс было особенно трудно найти, потому что они меньше и менее активны, чем сверхмассивные черные дыры; у них нет легкодоступных источников топлива и сильного гравитационного притяжения для привлечения звезд и другого космического материала, который мог бы вызвать контрольные рентгеновские свечения. Астрономы по сути должны поймать такую черную дыру с поличным во время поедания звезды. Лин и его коллеги просмотрели архив данных XMM-Newton, ища сотни тысяч наблюдений, чтобы найти одного кандидата в черные дыры средней массы.

Рентгеновское свечение от пострадавшей звезды позволило астрономам оценить массу черной дыры в 50 000 солнечных масс. Масса черной дыры средней массы была оценена на основе как рентгеновской светимости, так и спектральной формы. «Это гораздо надежнее, чем использование только рентгеновской светимости, как это обычно делалось ранее для предыдущих кандидатов», - сказал Лин. «Мы можем использовать спектральные соответствия для оценки массы черной дыры для нашего объекта потому, что его спектральная эволюция показала, что он находится в тепловом спектральном состоянии, которое обычно можно увидеть и хорошо понять при аккреции черных дыр звездной массы».

Этот объект не первым считается вероятным кандидатом в черные дыры средней массы. В 2009 году Хаббл объединился с обсерваторией НАСА Swift и XMM-Newton ЕКА для определения черной дыры средней массы HLX-1, расположенной ближе к краю галактики ESO 243-49. Она также находится в центре молодого массивного скопления голубых звезд, которое может быть урезанным ядром карликовой галактики. Рентгеновские лучи исходят от горячего аккреционного диска вокруг черной дыры.

«Основное отличие в том, что наш объект разрывает звезду на части, предоставляя убедительные доказательства того, что это массивная черная дыра, а не черная дыра звездной массы, о чем люди часто беспокоятся по поводу предыдущих кандидатов, включая HLX-1», - сказал Лин.

Обнаружение этой черной дыры средней массы открывает возможность обнаружения еще большего количества скрывающихся в темноте монстров, ожидающих, чтобы их выдаст звезда, проходящая слишком близко. Лин планирует продолжить свою тщательную детективную работу, используя те же методы. Многие вопросы остаются без ответа. Сверхмассивная черная дыра растет из черной дыры средней массы? Как формируются сами черные дыры средней массы? Являются ли плотные звездные скопления их любимым домом?