Слева направо: шаровое скопление Омега Центавра в целом, увеличенная версия центральной области и самая центральная область с отмеченным расположением черной дыры среднего размера, выявленной в настоящем исследовании. Фото предоставлено: ЕКА/Хаббл и НАСА, М. Хеберле (MPIA)
Недавно идентифицированные быстро движущиеся звезды в звездном скоплении Омега Центавра предоставляют веские доказательства существования центральной черной дыры в скоплении. По крайней мере, 8200 солнечных масс, это лучший кандидат в класс черных дыр, существование которого астрономы давно считали: черные дыры промежуточной массы, образующиеся на ранних стадиях эволюции галактик.
Это открытие подтверждает идею о том, что Омега Центавра является ядром галактики, поглощенной Млечным Путем миллиарды лет назад. Ядро галактики, лишенное внешних звезд, с тех пор «заморожено во времени». Исследование было опубликовано в журнале Nature.
Омега Центавра — впечатляющая коллекция из около 10 миллионов звезд, видимая как пятнышко на ночном небе с южных широт. В небольшой телескоп оно ничем не отличается от других так называемых шаровых скоплений: сферического скопления звезд, которые настолько плотны к центру, что становится невозможно различить отдельные звезды.
Но теперь новое исследование, проведенное Максимилианом Хеберле (Астрономический институт Макса Планка), подтверждает то, что астрономы подозревали в течение некоторого времени: Омега Центавра содержит центральную черную дыру.
Черная дыра, по-видимому, является «недостающим звеном» между своими звездными и сверхмассивными родственниками: она застряла на промежуточной стадии эволюции и значительно менее массивна, чем типичные черные дыры в центрах галактик. Омега Центавра, по-видимому, является ядром небольшой отдельной галактики, развитие которой внезапно прекратилось, когда ее поглотил Млечный Путь.
Серия масс черных дыр
В астрономии черные дыры бывают разных диапазонов масс. Известны звездные черные дыры с массами от одного до нескольких десятков солнечных масс, а также сверхмассивные черные дыры с массами в миллионы или даже миллиарды солнц.
Наша нынешняя картина эволюции галактик предполагает, что самые ранние галактики должны были иметь в своих центрах черные дыры среднего размера, которые либо росли по мере эволюции галактик, поглощая меньшие галактики (как это сделал наш Млечный Путь), либо сливались с более крупными галактиками. .
Такие черные дыры среднего размера, как известно, трудно найти. Галактики, подобные нашему Млечному Пути, уже давно оставили эту промежуточную фазу позади и теперь содержат гораздо более крупные центральные черные дыры.
Галактики, которые остались маленькими («карликовые галактики»), как правило, трудно наблюдать. При имеющихся в настоящее время технологиях наблюдения за их центральными областями, которые могли бы обнаружить центральную черную дыру, чрезвычайно сложны. Хотя есть многообещающие кандидаты, четкого открытия такой черной дыры промежуточной массы еще не произошло.
Галактика, застывшая во времени (ядро)
И именно это делает Омегу Центавра такой особенной. Если бы это когда-то было ядро отдельной галактики, которая затем слилась с Млечным Путем, потеряв все, кроме центральной группы звезд, оставшееся ядро галактики и ее центральная черная дыра были бы «заморожены во времени»: дальнейшего существования не было бы. слияния и отсутствие возможности для роста центральной черной дыры.
Черная дыра останется того же размера, что и в момент, когда Омега Центавра была поглощена Млечным Путем, что дает представление о недостающем звене между ранними черными дырами малой массы и более поздними сверхмассивными черными дырами.
Чтобы проверить эту гипотезу, нужно действительно открыть центральную черную дыру в Омеге Центавра, а астрономам пока не удалось сделать твердое открытие. Хотя были доказательства крупномасштабных моделей движения звезд в скоплении, эти доказательства оставляли место для сомнений: возможно, центральной черной дыры вообще не было.
Иголка в архивном стоге сена
Когда Надин Ноймайер, руководитель группы в Институте астрономии Макса Планка, и Анил Сет из Университета Юты в 2019 году разработали исследовательский проект, направленный на лучшее понимание происхождения Омеги Центавра, они осознали, что появилась возможность решить вопрос о принадлежности скопления центральная черная дыра раз и навсегда: если бы они могли идентифицировать ожидаемые быстро движущиеся звезды вокруг черной дыры в центре Омеги Центавра, это было бы, как известно, дымящимся пистолетом и в то же время возможностью измерить массу черной дыры. дыра.
Трудные поиски стали задачей Максимилиана Хеберле, аспиранта Института астрономии Макса Планка. Хеберле возглавил работу по созданию всеобъемлющего каталога движений звезд в Омеге Центавра, измерив скорости 1,4 миллиона звезд путем изучения более 500 изображений скопления Хаббла. Большинство этих изображений были созданы для калибровки инструментов Хаббла, а не для научных целей. Но благодаря повторяющимся взглядам на Омегу Центавра они оказались идеальным набором данных для исследовательских усилий команды.
Хеберле говорит: «Поиск высокоскоростных звезд и документирование их движения были пресловутым поиском иголки в стоге сена. Но в конечном итоге Хеберле не только располагал наиболее полным каталогом движения звезд в Омеге Центавра». на сегодняшний день (опубликовано в отдельной статье). Он также нашел не одну, а семь иголок в своем архивном стоге сена: семь характерных, быстро движущихся звезд в небольшой области в центре Омеги Центавра.
Открытие черной дыры
Эти быстродвижущиеся звезды быстры, потому что рядом с ними находится концентрированная масса. Для одиночной звезды было бы невозможно сказать, быстрая ли она, потому что ее центральная масса велика, или потому, что звезда находится очень близко к центральной массе, или звезда просто летит прямо вперед, и никакой массы не видно.
Но семь таких звезд с разными скоростями и направлениями движения позволили Хеберле и его коллегам разделить разные эффекты и определить, что Омега Центавра имеет центральную массу, равную массе не менее 8200 солнц. На изображениях нет видимого объекта в предполагаемом местоположении этой центральной массы, как и следовало ожидать от черной дыры.
Более полный анализ не только позволил Хеберле точно определить скорости семи его высокоскоростных звезд. Ей также удалось определить точное местоположение центральной области диаметром три световых месяца (три угловых секунды на изображениях) внутри Омеги Центавра.
Кроме того, анализ обеспечил статистическую уверенность: одиночная высокоскоростная звезда на изображении может вообще не принадлежать Омеге Центавра. Это может быть звезда за пределами скопления, которая проходит сразу за или перед центром Омеги Центавра. Наблюдение семи таких звезд, напротив, не может быть чистым совпадением и не оставляет места для объяснений, кроме черной дыры.
Наконец, черная дыра средней массы
Ноймайер говорит: «Предыдущие исследования подняли важные вопросы, такие как: «Где находятся высокоскоростные звезды?» Теперь у нас есть ответ и подтверждение того, что Омега Центавра содержит черную дыру промежуточной массы. На расстоянии около 18 000 световых лет это самый близкий известный пример массивной черной дыры».
Сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути находится на расстоянии около 27 000 световых лет от нас. Это открытие не только обещает решение многолетних дебатов о черной дыре промежуточной массы в Омеге Центавра. Она также представляет собой лучшего кандидата на открытие черной дыры промежуточной массы в целом.
Основываясь на своих результатах, Ноймайер, Хеберле и их коллеги теперь планируют еще более детально изучить центр Омеги Центавра. У них уже есть разрешение измерять движение высокоскоростной звезды к Земле или от нее (лучевая скорость) с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, и есть будущие инструменты (GRAVITY+ на VLT ESO, MICADO на Чрезвычайно Большом Телескопе). , который мог бы определять положение звезд даже точнее, чем Хаббл.
Долгосрочная цель — выяснить, как ускоряются звезды, то есть как искривляются их орбиты. Однако отслеживание этих звезд на всей их орбите, как это было в отмеченных Нобелевской премией наблюдениях вблизи черной дыры в центре Млечного Пути, — это проект для будущих поколений астрономов.
Меньшая масса черной дыры приводит к тому, что масштабы времени для Омеги Центавра в десять раз длиннее, чем для Млечного Пути: орбитальные периоды превышают сто лет.
Информация от: Обществом Макса Планка.
