Астрономы имеют веские доказательства существования черных дыр звездной массы и сверхмассивных черных дыр. Однако доказательства существования промежуточных черных дыр (IMBH) более неуловимы. Их существование остается гипотетическим.
Однако, исследование за исследованием, доказательства для IMBH накапливаются. Последние из них получены из шарового скопления M15, где быстро движущаяся звезда предполагает присутствие чего-то массивного. Может ли это быть неуловимой IMBH?
IMBHs заполняют пробел между черными дырами звездной массы, которые имеют до 100 солнечных масс, и сверхмассивными черными дырами (SMBHs), которые имеют миллионы или миллиарды солнечных масс. Хотя их существование все еще не доказано, многие астрономы ожидают, что они будут обнаружены в один прекрасный день. Ученые считают, что они могут образовываться тремя различными способами: слиянием нескольких черных дыр звездной массы, прямым коллапсом огромных газовых облаков в ранней Вселенной или посредством столкновений в плотных звездных средах.
Шаровые скопления являются основными местами, где могут формироваться IMBH, поскольку в их ядрах плотность звезд очень высока. В Омеге Центавра, крупнейшем шаровом скоплении (ШС) в Млечном Пути, оценки показывают, что может быть несколько тысяч звезд на кубический парсек, невероятная плотность звезд. В нашем солнечном районе плотность звезд составляет всего 0,004 звезды на кубический парсек.
Несколько исследований указали на существование средней черной дыры в Омеге Центавра, и летом 2024 года астрономы нашли дополнительные доказательства с помощью космического телескопа «Хаббл».
Новое исследование показывает, что M15, еще одно GC Млечного Пути, также может содержать IMBH. Оно основано на наблюдениях за убегающей высокоскоростной звездой.
Исследованиеозаглавленный «Высокоскоростная звезда, недавно выброшенная черной дырой средней массы в M15», принята к публикации в National Science Review. Ян Хуан из Школы астрономии и космических наук Университета Китайской академии наук является ведущим автором.
«Существование черных дыр промежуточной массы (IMBH) имеет решающее значение для понимания различных астрофизических явлений, однако их существование остается неуловимым, за исключением обнаружения LIGO-Virgo», — пишут авторы. Они имеют в виду GW190521, самую массивную наблюдаемую двойную гравитационную волну. Это произошло в 2020 году и создало остаток черной дыры массой 142 солнечных. Некоторые называют это первым обнаружением IMBH.
«Мы сообщаем об открытии высокоскоростной звезды J0731+3717, обратная траектория которой около 21 млн лет назад пересекает траекторию шарового скопления M15 в пределах приливного радиуса скопления», — пишут исследователи. Они предполагают, что гравитационное взаимодействие с IMBH в M15 ответственно за выброс звезды.
Приливной радиус скопления — это расстояние от центра ШС, где гравитационное влияние ШС уступает гравитационному влиянию окружающей галактики. Это весомое доказательство того, что звезда могла возникнуть в M15. Однако это не единственное доказательство исследователей; металличность звезды также предполагает, что она произошла из M15. «И ее металличность [Fe/H] и его отношение содержания альфа-частиц к содержанию железа [?/Fe] «соответствуют данным M15», — пишут Хуан и его коллеги.
Исследователи сравнили металличность и содержание альфа-железа в M15 и убегающей звезде со звездами из APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment). APOGEE — это крупномасштабное спектроскопическое исследование звезд в Млечном Пути. Его данные используются для измерения звездных популяций, звездной химии и истории звездообразования в нашей галактике, поэтому он делает полезное сравнение для M15 и убегающей звезды.
![На этом рисунке показано [Fe/H]–[?/Fe] для сбежавшей звезды и M15 по сравнению со звездами, на которые нацелен APOGEE. APOGEE — это крупномасштабное спектроскопическое исследование звезд в Млечном Пути. Кредит изображения: Huang et al. 2024.](/wp-content/uploads/2024/09/M15-runaway-star-metallicity.png "Черная дыра средней массы вытолкнула звезду из шарового скопления")
«Крайне маловероятно, что ассоциация J0731+3717 и M15 является чистой случайностью, учитывая вероятность случайной ассоциации, химического и возрастного сходства», — объясняют авторы.
Это хорошее доказательство того, что убегающая звезда возникла в M15. Однако металличность не может сказать нам, ответственна ли IMBH за выброс звезды. Для этого исследователи рассмотрели скорость и траекторию звезды. Они начали с изучения известных гиперскоростных звезд в Млечном Пути.
«Для обнаружения высокоскоростных звезд, выброшенных из шаровых скоплений, проводятся обратные орбитальные интегрирования для 934 высокоскоростных (VGSR ≤ 400 км с?1) звезд гало в поисковом объеме в пределах 5 кпк от Солнца и 145 галактических шаровых скоплений», — объясняют авторы. Они проследили обратные траектории звезд и скоплений до 250 миллионов лет назад. Затем они вычислили ближайшее расстояние для каждой пары звезд и шаровых скоплений.
«Среди сотен тысяч пар только J0731+3717 имеет ближайшее расстояние, меньшее приливного радиуса M15, что делает ее редким кандидатом на роль звезды, выброшенной скоплением с большой скоростью», — пишут авторы.
Существуют и другие способы, которыми ШС может выбросить звезду. Взаимодействие с другими звездами, взрыв сверхновой, взаимодействие с массивным газовым облаком или даже слишком близкое прохождение к галактическому диску Млечного Пути — все это потенциальные причины. Но ни один из них не подходит, по словам исследователей. «Подводя итог, вышеперечисленные альтернативные механизмы выброса не подходят для выталкивания J0731+3717 из M15», — заключают авторы.
Отвергнув альтернативные объяснения выброса звезды, они остались с единственной возможной причиной — черной дырой средней массы.
Как и другие ШС, M15 имеет чрезвычайно высокую плотность звезд в своем ядре, одну из самых высоких среди всех известных ШС. Астрономы считают, что M15 претерпела процесс, называемый коллапсом ядра, который создал ее чрезвычайно компактный центр, заполненный звездами. Ядро M15 примерно в миллион раз плотнее, чем наше звездное окружение. Оно настолько плотное, что даже наши самые мощные телескопы с трудом различают отдельные звезды. В этой переполненной среде звезды, как ожидается, будут часто сталкиваться и сливаться, и взаимодействия между всеми типами звездных объектов более вероятны. Это делает его основной областью для слияний черных дыр звездной массы в IMBH.
Доказательства существования IMBH накапливаются, но все еще нет всеобщего согласия относительно того, что их существование доказано. Однако нам, возможно, не придется долго ждать, пока научное сообщество соберет достаточно убедительных доказательств. «С ростом мощности текущих Gaia и крупномасштабных спектроскопических исследований мы ожидаем обнаружить десятки случаев в объеме 5 кпк и в десять раз больше в объеме 10 кпк, что должно пролить свет на понимание эволюционного пути от BH звездной массы до SMBH», — объясняют авторы.
Возможно даже, что Event Horizon Telescope или что-то подобное, что станет его преемником, сможет получить изображение IMBH. Для этого должно многое пойти правильно, но это возможно.
А пока мы можем наблюдать, как исследователи собирают все больше доказательств существования IMBH и наблюдать за развитием событий.
