Найдена сверхмассивная черная дыра, сбежавшая из своей галактики

Рис. 1. Вверху слева — изображение сверхмассивной черной дыры и ее окружения, сделанное камерой ACS с использованием фильтров F606W (частота пропускания — 592,6 нм) и F814W (частота пропускания — 814,7 нм). Вверху справа — укрупненное изображение, снятое только через фильтр F606W. Внизу слева — это синтезированный цветной снимок того же объекта, полученный с помощью обоих фильтров. За ним следуют четыре спектрограммы, сделанные аппаратом LRIS, одна из которых (вторая, если считать слева) выполнена на частоте H_β бальмеровской серии излучения водорода, а другие три — на разных частотах излучения однократно и двукратно ионизированных атомов кислорода. Рисунок из обсуждаемой статьи

Ученые из США, Австралии и Канады предъявили заявку на нетривиальное достижение в области науки о Вселенной. Восемнадцать астрономов и астрофизиков во главе с профессором Йельского университета Питером ван Доккумом считают весьма вероятным, что им удалось открыть как минимум одну сверхмассивную черную дыру, которая в относительно недалеком прошлом покинула центральную область небольшой компактной галактики, где она накопила свою нынешнюю массу, и пустилась в самостоятельное путешествие по межгалактическому пространству. Такие одиночные черные дыры, масштабно сравнимые с дырой в центре нашей Галактики или даже превышающие ее по массе на один или несколько порядков, давно предсказаны теоретиками, однако до сих пор их существование не было подтверждено ни прямыми, ни косвенными наблюдениями.

Открытие, о котором идет речь (если это действительно открытие, а не наблюдательный артефакт) произошло практически случайно. В сентябре прошлого года астроном из Йельского университета Питер ван Доккум (Pieter van Dokkum) и его коллеги изучили фотографии карликовой галактики RCP 28, чей средний эффективный фотометрический радиус (half-light radius) не превышает 1,2 килопарсек, а полная масса оценивается в 7 миллиардов солнечных масс. Так что это действительно галактика-лилипут — она где-то в 12 раз меньше Млечного Пути и приблизительно в 200–300 раз легче. По меркам Большого Космоса она не слишком сильно удалена от Солнца. Ее свет доходит до Земли с красным смещением z = 0,964, что соответствует дистанции порядка 7,5 миллиардов световых лет.

Снимки были сделаны широкопольной обзорной камерой ACS (Advanced Camera for Surveys) космического телескопа «Хаббл» с использованием двух оптических фильтров: F606W со средней частотой пропускания 5926 ангстрем (оранжевая полоса оптического спектра) и F814W, пропускающим излучение на средней частоте 8147 ангстрем (ближняя инфракрасная зона). На них четко просматривается некий объект, который весьма заинтересовал ученых. Поэтому уже в первых числах октября они дополнительно «рассмотрели» ту же галактику с помощью фотоспектрометра LRIS (Low-Resolution Imaging Spectrometer), установленном на зеркальном телескопе Кек I, одном из двух телескопов-близнецов с десятиметровой апертурой, расположенных на вершине горы Мауна-Кеа на острове Гавайи.

Их труды не пропали даром. На снимках удалось выявить практически линейный источник светового излучения длиной 62 килопарсек (около 200 тысяч световых лет), чей хвост направлен на центр галактики RCP 28. Полученные изображения детально воспроизведены в статье (рис. 1). Дополнительные детали представлены на рис. 2.

Рис. 2. Слева — интегрированная двухфильтровая картинка, полученная камерой ACS: голубой полосой отмечена оптическая щель спектрометра LRIS. В середине и справа — дополнительные спектрометрические данные. Рисунок из обсуждаемой статьи

Что означают эти изображения? Ван Доккум и его коллеги полагают, что обнаруженный светящийся объект скорее всего представляет собой мощную струю сильно сжатого горячего газа, в котором идут активные процессы звездообразования. Однако их главный вывод состоит в том, что головная зона струи может скрывать черную дыру, чья масса примерно в 20 миллионов раз превышает солнечную. Вероятное местонахождение этой дыры представлено на рис. 2 точкой А. Точкой B отмечена структура неизвестной природы, о которой я расскажу ниже. На той же картинке выделен еще один компактный объект, обозначенный буквой С, информация о котором пока отсутствует.

Такова общая концепция профессора ван Доккума и его соавторов. Подтверждение их гипотезы, если таковое состоится, станет первым открытием блуждающей сверхмассивной черной дыры (runaway supermassive black hole), которая покинула материнскую галактику и перешла в режим свободного полета через космическое пространство. Возможность существования таких дыр обсуждается уже свыше полувека, однако до сих пор такие дискуссии не выходили за рамки теории и моделирования (см., например, Блуждающих сверхмассивных черных дыр должно быть много, «Элементы», 09.09.2021).

Теперь перейдем к деталям. Для начала будет нелишним задаться вопросом: откуда вообще может появиться блуждающая черная дыра-миллионник? Самые легкие дыры-бродяжки известны из наблюдений уже с дюжину лет: первая была открыта в 2011 году на расстоянии порядка 5 тысяч световых лет от Солнца в направлении балджа нашей Галактики (статья об этом вышла в прошлом году, см. K. C. Sahe et al., 2022. An Isolated Stellar-mass Black Hole Detected through Astrometric Microlensing), и их происхождение давно не вызывает сомнений. Согласно стандартным моделям звездной эволюции, они рождаются в результате гравитационного коллапса звезд с начальной массой от 30 до 100 солнечных масс, которые сжигают свое термоядерное топливо и в конце жизни взрываются сверхновыми. Поэтому их типичные массы не превышают нескольких солнечных масс, хотя могут исчисляться и десятками таковых. К слову, масса блуждающей черной дыры 2011 года оценивается приблизительно в 7 масс Солнца.

Однако сверхмассивные дыры — это совсем другие обитатели космического зверинца. Пока что такие монстры обнаружены только в галактических ядрах, где они постепенно прирастают за счет поглощения окружающего вещества (в основном, космического газа). Стоит отметить, что, по новейшим данным, они рождались уже в ранней Вселенной. Например, 24 февраля британский журнал Monthly Notices of the Royal Astronomical Society сообщил о возможном открытии в центре древней галактики COS 87259 черной дыры массой 1,6 миллиарда солнечных масс, которая существовала уже через 750 миллионов лет после Большого взрыва. Этот результат был получен с помощью наблюдений на состоящем из 66 радиотелескопов интерферометре ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array), расположенном на севере Чили. Так что классический симбиоз «черная дыра — центр материнской галактики» на первый взгляд представляется естественным и едва ли не неизбежным.

На деле же все не так просто. У сверхмассивной дыры есть несколько способов расстаться со своей галактикой и пуститься в самостоятельное путешествие по Большому Космосу. Первый шаг к этому — слияние двух сблизившихся друг с другом галактик, которое приводит к образованию пары гравитационно связанных черных дыр, обращающихся вокруг общего центра инерции. Такая система, своего рода чернодырный аналог двойной звезды, сама по себе весьма стабильна и может существовать порядка миллиарда лет. Однако в силу законов общей теории относительности она генеририрует гравитационные волны и поэтому постепенно теряет кинетическую энергию. В конце концов обе дыры сталкиваются и сливаются, образуя единичную дыру большей массы. В определенных условиях новорожденная дыра может обрести достаточно большую скорость, чтобы вылететь из гравитационного колодца, образованного притяжением ее галактического окружения.

Есть и другой механизм — как считается, более частый. Двойная чернодырная система еще до своей гибели может встретить третью сверхмассивную дыру — скорее всего, в результате еще одного галактического слияния. Возникшая тройка гравитационно связанных черных дыр имеет все шансы оказаться нестабильной и выбросить в окружающее пространство одну из своих компонент — практически всегда наиболее легкую. Этот так называемый эффект космической гравитационной пращи хорошо известен из классической небесной механики и неоднократно наблюдался в звездной и планетной астрономии. Оба пути к освобождению сверхмассивной черной дыры представлены на рис. 3.

Рис. 3. Возможные сценарии «побега» сверхмассивной черной дыры из своей галактики. 1, 2 — первый шаг, являющийся общим для обоих сценариев: слияние двух галактик и формирование долгоживущей двойной дыры в центре возникшей в результате такого слияния звездной системы. 3 — пришествие «возмутителя спокойствия» — третьей галактики со своей собственной центральной дырой. 4 — ее сближение с двойной дырой, приводящее к росту гравитационного взаимодействия между этими объектами. 5 — в результате наилегчайшая (в типичной ситуации) дыра этой триады набирает большую дополнительную скорость и обретает независимость от своих временных компаньонок. Эти две дыры, в свою очередь, могут удержаться внутри своей галактики, но также могут сами вырваться за ее границы (на изображении 5 показана именно такая ситуация). Можно заметить, что двойная дыра вылетает в направлении, противоположном движению одиночной дыры — этого требует закон сохранения количества движения. 6 — графические результаты моделирования движения одиночной и двойной дыры через межгалактическую среду, приводящего к сильным возмущениям динамики ее частиц. Рисунок из обсуждаемой статьи

Теперь встает законный вопрос: как можно обнаружить одиночную сверхмассивную дыру, путешествующую на космологической дистанции от нашей Галактики? Легче всего это сделать, если дыра заимствует у покинутой галактики часть своей газо-плазменной свиты. В этом случае она продолжает активно поглощать вещество из окружающего пространства, и, если темпы этой аккреции окажутся достаточно высоки, земные приборы смогут ее обнаружить — например, по характерному рентгеновскому излучению. И все бы хорошо, но тут есть одна тонкость. Примерно так же будет проявлять себя в наблюдениях активное ядро быстро движущейся галактики (оно ведь тоже содержит аккретирующую черную дыру!), если в силу каких-то причин ее звездное излучение не удается зарегистрировать. Во всяком случае, пока что таким путем не удалось однозначно выявить ни одной блуждающей сверхмассивной черной дыры.

Теперь предположим, что дыра-беглянка не аккретирует вещество и потому ничего не излучает. Однако она в любом случае выдает себя своим мощным полем тяготения, которое искривляет проходящие в окрестности дыры световые лучи и тем создает хорошо известный эффект гравитационного линзирования. Именно так в 2011 году была обнаружена черная дыра звездной массы, о которой я уже упоминал. Однако блуждающие сверхмассивные черные дыры должны встречаться гораздо реже дыр звездной массы, а потому шансы их наблюдать в обличье гравитационных линз весьма невелики. Другим видом гравитацинного воздействия такой дыры стало бы создание приливных эффектов в окружающем пространстве, однако и здесь вероятность не на стороне астрономов. Во всяком случае, ни один из этих путей пока что не привел к надежной идентификации хотя бы одного кандидата на роль одиночной сверхмассивной черной дыры.

Однако, как заметил Альберт Эйнштейн, Бог изощрен, но не злонамерен. Это качество проявилось и в данном случае. По своей неизреченной милости Он оставил исследователям космоса вполне реальные шансы искать и находить блуждающие черные дыры галактической массы. Во-первых, такая дыра может прихватить с собой сколько-то звезд. Вычисления показывают, что их суммарная масса будет тем меньше, чем выше скорость, с которой дыра уходит в свободный полет, — и в любом случае почти наверняка не превысит массу самой дыры. Возможность таких свит была предсказана в 2009 году — их было предложено называть гиперкомпактными звездными системами (D. Merritt et al., 2009. Hypercompact Stellar Systems Around Recoiling Supermassive Black Holes). Размерами и светимостью такие системы могут напоминать давно известные глобулярные звездные кластеры (они же шаровые скопления), однако скорости входящих в них звезд должны сильно превышать типичные внутрикластерные скорости. Поэтому их можно было бы без особых проблем отличать от шаровых скоплений по чисто кинематическим характеристикам — но только в том случае, если бы скоростные характеристики этих звезд (конкретно, дисперсию звездных скоростей) удалось бы измерить надежно и с приемлемой точностью. Если речь идет о тусклых объектах, находящихся за пределами ближнего окружения нашей Галактики, такая задача оказывается очень трудной, а то и практически неразрешимой.

Во-вторых, выявлению блуждающих сверхмассивных дыр могут помочь свойства самого межгалактического пространства. Оно заполнено частично ионизированным газом — хотя и чрезвычайно разреженным, но вполне реальным. Проходя через такую среду, дыра оставляет за собой кильватерный след, тем более заметный, чем выше ее скорость. В частности, если она выше скорости звука в среде, прохождение дыры породит ударную волну, которая станет причиной сильных колебаний плотности газа в кильватерном следе. Возникающие газовые сгустки будут остывать, фрагментироваться и рождать горячие звезды, подсвечивающие кильватер своим излучением. Эти процессы 15 лет назад смоделировали двое испанских ученых, чья статья с примечательным заголовком The Invisible Hand: Star Formation Triggered by Runaway Black Holes в 2008 году появилась в The Astrophysical Journal.

Именно этот сценарий ван Доккум и его соавторы положили в основу своего понимания природы линейного светящегося объекта, обнаруженного на снимках камеры ACS. В целом их сценарий уже описан выше: одна из черных дыр нестабильной тройной системы оставила галактику RCP 28 и устремилась в путешествие по космосу со скоростью 1600 км/сек. Проходя через межгалактическую среду, она оставляла за собой кильватерный (он же спутный) след, в котором рождались массивные горячие звезды. Скорее всего эта дыра расположена в точке А на рис. 2, но может находиться и несколько впереди. Природа объекта В пока не ясна, хотя его звездная масса допускает приблизительную оценку — 300 миллионов солнечных масс. Не исключено, что объекты В и С — это две черные дыры, оставшиеся от развалившейся тройной системы.

Как отмечают ван Доккум и его коллеги, такая возможность очень интересна, однако в свете имеющейся наблюдательной информации выглядит слишком произвольной. Во всяком случае, они предлагают до получения новых данных считать, что объект С никак не связан с выброшенной в пространство дырой и вполне мог оказаться на снимках камеры ACS просто в силу случайности. Источником таких данных сможет стать Космический телескоп имени Нэнси Грейс Роман, который НАСА предполагает запустить в середине этого десятилетия. А пока — лучше подождать с выводами.

Источник: Pieter van Dokkum, Imad Pasha, Maria Luisa Buzzo, Stephanie LaMassa, Zili Shen, Michael A. Keim, Roberto Abraham, Charlie Conroy, Shany Danieli, Kaustav Mitra, Daisuke Nagai, Priyamvada Natarajan, Aaron J. Romanowsky, Grant Tremblay, C. Megan Urry, Frank C. van den Bosch. A candidate runaway supermassive black hole identified by shocks and star formation in its wake // Препринт arXiv:2302.04888 [astro-ph].

Алексей Левин