Хаббл находит недостающее звено в изучении черной дыры

Снимки высокого разрешения показывают укрытие черной дыры во внегалактическом звездном скоплении. Подобно детективам, тщательно выстраивающим дело, астрономы собирали доказательства и устраняли подозреваемых, пока не нашли лучшие доказательства того, что смерть звезды, впервые засвидетельствованная в рентгеновских лучах, может быть прослежена до неуловимой черной дыры среднего размера.

Результатом является долгожданная победа в астрономии, поскольку недостающее звено среднего размера в семействе черных дыр до сих пор мешало обнаружению. Космический телескоп Хаббл использовался для наблюдения за множественными рентгеновскими излучениями. Последняя вспышка была вызвана тем, что своенравная звезда слишком близко подходит к гравитационному колодцу черной дыры и разрушается приливными силами. Сильный жар от звездного людоедства выдает присутствие черной дыры с взрывом рентгеновских лучей. Хаббл зафиксировал исходную область этой рентгеновской вспышки, как звездное скопление вне галактики Млечный Путь. Такие скопления считались вероятными местами для обнаружения черной дыры средней массы. Это открытие исключило возможность того, что рентгеновские лучи пришли из другого типа источника в Млечном Пути.

Астрономы нашли лучшее доказательство для субъекта, совершившего космическое убийство: черная дыра неуловимого класса, известного как промежуточная масса, которая предала свое существование, разорвав странную звезду, которая прошла слишком близко.

При весе примерно в 50000 масс нашего Солнца черная дыра меньше сверхмассивных черных дыр (при миллионах или миллиардах солнечных масс), которые лежат в ядрах больших галактик, но больше, чем черные дыры звездной массы, образованные коллапсом массивной звезды.

Эти так называемые черные дыры средней массы (IMBH) являются долгожданным недостающим звеном в эволюции черной дыры. Хотя было несколько других кандидатов в IMBH, исследователи считают эти новые наблюдения самым убедительным доказательством существования черных дыр среднего размера во вселенной.

Объединенная сила двух рентгеновских обсерваторий и острое видение космического телескопа Хаббл от NASA привели в порядок космического зверя.

“Черные дыры средней массы являются очень труднодостижимыми объектами, поэтому очень важно тщательно обдумать и исключить альтернативные объяснения для каждого кандидата. Это то, что Хаббл позволил нам сделать для нашего кандидата”, – сказал Дачен Лин из Университета Нью-Гемпшира, главный ученый исследования. Результаты были 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 того, чтобы поймать преступника.

Лин и его команда использовали Хаббл для наблюдения из обсерватории Чандра и рентгеновской многозеркальной миссии Европейского космического агентства (XMM-Newton). В 2006 году эти высокоэнергетические спутники обнаружили мощную вспышку рентгеновских лучей, но не были уверены, что они возникли внутри 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.

Удивительно, но источник рентгеновского излучения, названный 3XMM J215022.4-055108, не был расположен в центре галактики, где обычно находились массивные черные дыры. Это вселяло надежду на то, что IMBH был виновником, но сначала нужно было исключить еще один возможный источник рентгеновской вспышки: нейтронная звезда в нашей собственной галактике Млечный Путь, остывающая после нагревания до очень высокой температуры. Нейтронные звезды – это раздробленные остатки взорвавшейся звезды.

Хаббл был направлен на источник рентгеновского излучения, чтобы определить его точное местоположение. Изображение с высоким разрешением является убедительным доказательством того, что рентгеновское излучение исходит не от изолированного источника в нашей галактике, а вместо этого в отдаленном плотном звездном скоплении на окраине другой галактики – как раз того места, в котором астрономы ожидают найти IMBH. Предыдущие исследования Хаббла показали, что масса черной дыры в центре галактики пропорциональна центральной выпуклости этой галактики. Другими словами, чем массивнее галактика, тем массивнее ее черная дыра. Поэтому звездное скопление, в котором проживает 3XMM J215022.4−055108, может быть урезанным ядром карликовой галактики с меньшей массой, которая была гравитационно разрушена из-за ее тесного взаимодействия с ее нынешним, более крупным хозяином галактики.

IMBH 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 создания звезд и другого космического материала, который мог бы вызвать контрольные рентгеновские свечения. Астрономы по сути должны поймать IMBH с поличным при сожжении звезды. Лин и его коллеги просмотрели архив данных XMM-Ньютон, ища сотни тысяч наблюдений, чтобы найти одного кандидата IMBH.

Рентгеновское свечение от измельченной звезды позволило астрономам оценить массу черной дыры в 50 000 солнечных масс. Масса IMBH 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 в IMBH”, – сказал Лин. “Причина, по которой мы можем использовать спектральные соответствия для оценки массы IMBH для нашего объекта, заключается в том, что его спектральная эволюция показала, что он находится в тепловом спектральном состоянии, 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 NASA Swift и рентгеновским космическим телескопом XMM-Newton, чтобы идентифицировать то, что интерпретируется как IMBH и имеющее название HLX-1, расположенное к краю галактики ESO 243-49. Он также находится в центре молодого массивного скопления голубых звезд, которое может быть урезанным ядром галактики карликов. Рентгеновские лучи исходят от горячего аккреционного диска вокруг черной дыры. “Основное отличие состоит 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 этого IMBH открывает возможность для еще большего количества скрывающихся в темноте скрытных черных дыр, ожидающих, чтобы их выдала звезда, проходящая слишком близко. Лин планирует продолжить свою тщательную детективную работу, используя методы, которые его команда доказала успешно. Многие вопросы остаются без ответа. Сверхмассивная черная дыра растет из IMBH? Как формируются сами IMBH? Являются ли плотные звездные скопления их любимым домом?