Мы живем во Вселенной, усеянной черными дырами. В нашей галактике и большинстве других существуют бесчисленные звездные массы и сверхмассивные. Вполне вероятно, что они существовали как так называемые «первичные» черные дыры в самые ранние эпохи космической истории. Тем не менее, похоже, существует категория недостающих звеньев: черные дыры промежуточной массы (ЧДМ). Астрономы искали этих редких животных в течение многих лет, и благодаря данным гравитационных волн существует только одно возможное наблюдение. Итак, где они?
IMBH может быть спрятана в сердце шаровых скоплений. Но, учитывая плотное расположение этих компактных скоплений звезд, как мы узнаем, есть ли в них какие-либо IMBH? Группы исследователей из Японии и Китая придумали несколько способов их поиска. Один из них — искать быстро движущиеся звезды, выброшенные из шаровых скоплений. Другой — моделировать столкновения звезд в центрах вновь образующихся скоплений. Оба метода могут указать путь к новым открытиям IMBH.
Что такое черные дыры промежуточной массы?
Эти редкие объекты во многом соответствуют своему названию: черные дыры с массой где-то между их звездными собратьями и сверхмассивными чудовищами в сердцах галактик. Они могут содержать массу Солнца, всего в тысячу раз превышающую массу Солнца, что было бы довольно «маленькой», возможно, до миллиона солнечных масс. Помимо этого существуют сверхмассивные монстры, масса которых в миллионы или миллиарды раз превышает массу Солнца. IMBH не возникает в результате взрывов сверхновых, поскольку не существует массивной звезды, достаточно большой, чтобы в результате коллапса образовалась IMBH. Рождение IMBH должно включать слияние нескольких массивных объектов. Это делает их более похожими на своих больших братьев и сестер сверхмассивных черных дыр.
Итак, где же могло произойти такое столкновение? Было бы полезно, если бы у вас было плотное скопление звезд, плотно упакованных вместе. Это описывает шаровые скопления с точностью до буквы Т. Они переполнены звездами и, вероятно, имеют хорошую коллекцию очень массивных звезд. Это звезды, которые взрываются как сверхновые и коллапсируют, образуя черную дыру звездной массы. Если их достаточно в кластере, они могут объединиться и создать IMBH. Еще одно предложение по созданию IMBH состоит в том, чтобы массивные звезды столкнулись и образовали один более массивный объект.
Многие шаровые скопления вращаются вокруг ядра Галактики Млечный Путь. Некоторые из самых плотных из них состоят из миллионов звезд, стянутых гравитацией. Скопление Мессье 15 (M15) является хорошим примером. Он содержит более 100 000 звезд, расположенных на площади около 175 световых лет в поперечнике. Если бы в M15 произошли столкновения неконтролируемых звезд или слияния черных дыр звездной массы, этого могло бы быть достаточно для создания IMBH.
Моделирование шаровых скоплений и роста черных дыр средней массы
Другая идея состоит в том, чтобы изучить образование шаровиков, чтобы увидеть, дает ли оно какие-либо ключи к разгадке происхождения и существования IMBH. Именно это и сделала группа учёных Токийского университета. Они создали расширенные модели формирования звездных скоплений, чтобы увидеть, могут ли произойти столкновения массивных звезд и привести к рождению IMBH. Это непростая задача. Предыдущие симуляции предполагали, что звездные ветры сдуют необходимые массы для создания этих недостающих черных дыр.
«Моделирование формирования звездного скопления было сложной задачей из-за его стоимости», — сказал руководитель группы Мичико Фуджи. «Мы впервые успешно выполнили численное моделирование формирования шаровых скоплений, моделируя отдельные звезды. Решив отдельные звезды с реалистичной массой для каждой, мы смогли реконструировать столкновения звезд в плотно упакованной среде. Для этих симуляций мы разработали новый код моделирования, в котором мы можем интегрировать миллионы звезд с высокой точностью».
Результат моделирования показал, что неконтролируемые столкновения объединили очень массивные звезды. Это идеальные кандидаты, чтобы стать кандидатами IMBH. «Наша конечная цель — моделировать целые галактики путем разрешения отдельных звезд», — указывает Фуджи на будущие исследования. «По-прежнему сложно моделировать галактики размером с Млечный Путь путем разрешения отдельных звезд с использованием доступных в настоящее время суперкомпьютеров. Однако можно было бы моделировать галактики меньшего размера, например, карликовые галактики. Мы также хотим нацелиться на первые скопления — звездные скопления, образовавшиеся в ранней Вселенной. Первые кластеры также являются местами, где могут рождаться IMBH».
Беглые звезды и IMBH
Итак, моделирование показывает, что такие ЧДМ могут быть возможны в среде шаровых скоплений, но каковы физические доказательства их существования на самом деле? На самом деле никто не обнаружил столкновений черных дыр звездной массы внутри скопления, приводящих к созданию IMBH. Они также не видели столкновений звезд, которые могли бы создать объект-монстр, хотя японское моделирование доказало, что такое возможно. Теперь задача состоит в том, чтобы наблюдать оба типа событий. Пока этого не произойдет, астрономы смогут выяснить, существуют ли IMBH косвенными способами.
Китайская исследовательская группа под руководством Ян Хуана из Университета Китайской академии наук недавно опубликовала статью о высокоскоростной звезде, покидающей место столкновения в центре Мессье 15. Звезда под названием J0731+3717 был выброшен в результате столкновения с черной дырой промежуточной массы, расположенной очень близко к центру скопления.
J0731+3717 был выброшен во время своего высокоскоростного путешествия около 21 миллиона лет назад. Команда изучила ее металличность (то есть соотношение водорода и более тяжелых элементов (называемых астрономами «металлами»)) и обнаружила, что она соответствует звездам в M15. Звезда-изгой удаляется от скопления со скоростью около 550 километров в секунду и когда-то «жила» на расстоянии около 1 а.е. от ядра скопления. Команда проанализировала эти измерения и провела расчеты обратной орбиты этой звезды (и других звезд в пределах 5 кпк от Солнца). Основываясь на своих расчетах, они пришли к выводу, что звезда слишком близко столкнулась с черной дырой промежуточной массы, содержащей около 100 солнечных масс.
Команда предлагает использовать этот метод для доказательства существования других IMBH в аналогичных средах. Они завершают свою статью обзором будущих наблюдений, чтобы доказать свою концепцию. «С ростом мощности продолжающихся исследований Гайи 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 звездной массы. От ЧД к СМЧД».
Для дополнительной информации
Моделирование дает новый рецепт черных дыр промежуточной массы
Средние и могучие: черные дыры промежуточной массы могут выжить в шаровых скоплениях
Высокоскоростная звезда, недавно выброшенная черной дырой средней массы в M15
