Сверхмассивные черные дыры могут иметь массу, в триллион раз превышающую массу Солнца, существовать только в определенных местах, а их число может исчисляться триллионами. Как могут скрываться такие объекты? Они защищены от нашего взгляда толстыми столбами газа и пыли.
Однако астрономы разрабатывают способ их обнаружения: ищут пончики, светящиеся в инфракрасном диапазоне.
Кажется почти несомненным, что крупные галактики, такие как наш Млечный Путь, содержат в своих центрах сверхмассивные черные дыры (СМЧД). Они растут за счет слияний с другими компаниями среднего размера и за счет роста. Когда они активно накапливают материал, они называются активными ядрами галактик (АЯГ) и становятся настолько яркими, что могут затмить все звезды во всей своей галактике. Самые яркие АЯГ называются квазарами.
Сверхмассивные черные дыры, как и все черные дыры, сами не излучают свет. Вместо этого свет исходит от тора вращающегося газа и пыли, который образует аккреционное кольцо вокруг СМЧД. Газ и пыль перегреваются и испускают электромагнитное излучение. На данный момент учёным удалось сфотографировать только две сверхмассивные чёрные дыры, обе с помощью телескопа Event Horizon (EHT). (Для ясности: EHT на самом деле не «видит» СМЧД. Вместо этого он видит свет, исходящий от аккреционного диска, и тень, которую СМЧД отбрасывает на диск.)
Даже не видя их, астрономы вполне уверены, что в большинстве крупных галактик есть СМЧД. Как? Звезды вблизи центра галактик движутся необычным образом, как будто они находятся под воздействием чрезвычайно массивного объекта. Интенсивное излучение АЯГ также является убедительным свидетельством существования СМЧД. Модели формирования и эволюции галактик, а также гравитационное линзирование предоставляют дополнительные доказательства.
Однако астрономы по-прежнему хотят найти больше из них, чтобы подтвердить свои модели или адаптировать их к результатам наблюдений. Проблема в том, что многие из них не видны сквозь газ и пыль. Когда этот газ и пыль достаточно густые и плотные, они действуют как завеса, блокируя даже низкоэнергетические рентгеновские лучи. Это означает, что нам не видно центра галактики, даже если это АЯГ.
Сможем ли мы увидеть центр такой галактики или нет, зависит от нашей точки зрения. При виде «сбоку» тор его загораживает, а при виде «сверху» или «снизу» — нет.
Астрономы хотят понять, сколько СМЧД существует во Вселенной, но очевидно, что нет способа их найти и сосчитать. Они надеются определить соотношение между скрытыми и нескрытыми СМЧД. Для этого им нужна достаточно большая выборка, на основе которой они смогут экстраполировать. Таким образом, вы сможете получить более точное представление о том, сколько существует SMBH.
Новое исследование с использованием данных нескольких телескопов НАСА расширило наше понимание сверхмассивных черных дыр. Опрос и его результаты подробно описаны в документе под названием «Обследование распределения NuSTAR Local AGN NH (NuLANDS)». I. К действительно репрезентативному распределению плотности столбов в локальной вселенной». Он был опубликован в «Астрофизическом журнале», а ведущий автор — Питер Г. Бурман, астрофизик из Центра астрофизики Кэхилла Калифорнийского технологического института.
Цель NuLANDS — найти густую пыль и газ, скрывающие АЯГ. Предыдущие попытки обнаружить АЯГ были осложнены тем, что они полагались на жесткое рентгеновское излучение, часть рентгеновского спектра с самой высокой энергией, часто определяемую как рентгеновское излучение с энергией более 10 килоэлектронвольт (кэВ). Аккреционные диски вокруг сверхмассивных черных дыр могут нагреваться до чрезвычайно высоких температур и испускать жесткое рентгеновское излучение.
Однако достаточно густой газ и пыль могут блокировать даже жесткое рентгеновское излучение. Если плотность столба газа слишком высока, жесткие рентгеновские лучи не могут проникнуть. «Выбранные с помощью жесткого рентгеновского излучения образцы активных галактических ядер (АЯГ) дают одно из самых чистых изображений аккреции сверхмассивных черных дыр, но смещены в сторону объектов, скрытых комптоновским газовым столбом с плотностью NH > 1024 см-2», — авторы сказал напишите в своей работе. Комптоновская толщина означает достаточную толщину, чтобы покрыть АЯГ.
Плотный газ и пыль, блокирующие жесткие рентгеновские лучи, поглощают их, а затем повторно излучают в виде инфракрасного света с более низкой энергией. Это создает светящийся тор или пончик из газа и пыли. Здесь в игру вступает IRAS.
IRAS — инфракрасный астрономический спутник, запущенный в январе 1983 года и проработавший десять месяцев. Он провел инфракрасное исследование всего неба и обнаружил инфракрасное излучение торов вокруг сверхмассивных черных дыр. Решающим было то, что эти торы распознавались независимо от того, были ли они обращены фронтально или с края.
Однако IRAS не дискриминирует источники инфракрасного излучения. Также были обнаружены галактики, в которых происходит быстрое звездообразование и которые излучают инфракрасный свет, подобный АЯГ. В этом новом исследовании авторы использовали наземные телескопы, чтобы различать эти два вида.
На данный момент у исследователей был образец торов вокруг СМЧД, излучающих инфракрасный свет. Однако они не знали, видят ли они ее в лоб или сбоку. Помните, их целью было выяснить, сколько СМЧД скрыто, а сколько нет. Имея достаточно большую выборку с хорошими данными, они могли бы экстраполировать, сколько существует СМЧД и есть ли они во всех крупных галактиках.
Именно здесь в игру вступает еще один спутник НАСА. NuSTAR — рентгеновский космический телескоп, запущенный в июне 2012 года и работающий до сих пор. Одной из его главных целей было обнаружение сверхмассивных черных дыр, которые в миллиард раз массивнее Солнца.
NuSTAR может обнаруживать высокоэнергетические рентгеновские лучи, которые проникают через плотную пыль и газ, обнаруживая сверхмассивные черные дыры с края. Однако обнаружение этих рентгеновских лучей может занять несколько часов наблюдения. Поэтому, чтобы быть эффективным, устройство должно знать, где искать в первую очередь. IRAS помог в этом.
«Меня поражает, насколько полезными оказались IRAS и NuSTAR для этого проекта, особенно несмотря на то, что IRAS работает уже более 40 лет», — сказал ведущий автор Бурман. «Я думаю, это показывает историческую ценность архивов телескопов и преимущество совместного использования нескольких инструментов и длин волн света».
В своем исследовании NuLANDS исследователи изучили 122 близлежащих АЯГ, выбранных из-за их теплых инфракрасных цветов. «Чтобы решить эту проблему, мы представляем NuSTAR Local AGN NH Distribution Survey (NuLANDS) — устаревшую выборку из 122 близлежащих (z
Их выбор галактик также смещен в сторону тех, чье АЯГ скрыто чем-то близким к ним, а не крупномасштабной особенностью самой галактики. «По замыслу наша выборка пропустит источники, подверженные сильному покраснению узких линий, и Таким образом, источники, «в которых преобладает мелкомасштабное ядерное затемнение из-за крупномасштабного затемнения родительской галактики», объясняют авторы.
Исследователи обнаружили, что 35% ± 9% галактик имеют пыль комптоновской толщины, а это означает, что их АЯГ и СМЧД скрыты. Это означает, что около трети СМЧД во Вселенной скрыты. Однако это лишь первые результаты NuLANDS, и хотя 122 AGN является комплексным исследованием, это еще не все.
Эти результаты подтверждают некоторые соображения относительно СМЧД, их массы и количества. SMBH должны потреблять огромное количество материала, чтобы достичь своих огромных размеров. Это означает, что многие из них должны быть скрыты пылью, которую они в конечном итоге поглощают. Бурман и его соавторы говорят, что их результаты подтверждают эту идею.
«Если бы у нас не было черных дыр, галактики были бы намного больше», — сказал соавтор исследования Пошак Ганди, профессор астрофизики из Саутгемптонского университета в Великобритании. Для этого есть две причины. Во-первых, они потребляют материал, который в противном случае создал бы больше звезд. Во-вторых, иногда на черную дыру попадает слишком много материала, и она выплевывает излишек. Этот выброшенный материал может рассеять газовые облака, в которых формируются звезды, замедляя звездообразование в галактике.
«Поэтому, если бы в нашей галактике Млечный Путь не было сверхмассивной черной дыры, на небе могло бы быть гораздо больше звезд. «Это всего лишь один пример того, как черные дыры могут влиять на эволюцию галактики», — сказал Ганди.
