Черные дыры промежуточной (или средней) массы (ЧДПМ, англ. intermediate mass black holes), если они существуют, имеют массу от 100 до 1000 M⊙, что ставит их между черными дырами звездной массы (ЧДЗМ, англ. stellar black holes) и сверхмассивными черными дырами (СМЧД, англ. supermassive black holes). Но если существование ЧДЗМ и СМЧД достаточно убедительно подтверждено, то доказательства существования ЧДПМ не столь очевидны.
Есть много кандидатов, но ни по одному из них нет единого мнения астрономов. Однако теории о черных дырах показывают, что между звездными и сверхмассивными дырами должно быть что-то среднее, и профессиональное сообщество надеется найти недостающее звено в виде «середнячков» ЧДПМ. Любой логический ряд не терпит пустоты, даже если это призрачная шеренга черных дыр.
Самый известный кандидат в «промежуточные» черные дыры находится в шаровом скоплении Омега Центавра. Скопление Омега Центавра (ω Центавра, NGC 5139) расположено на расстоянии около 17 000 световых лет от нас и было известно еще в древности, когда астрономы считали его одной звездой. При звездной величине +3,9m это одно из немногих шаровых скоплений, видимых невооруженным глазом.
Теперь мы знаем, что в нем находится около 10 миллионов звезд, и наши мощные телескопы смогли различить тысячи отдельных светил в этом плотном кластере. Астрономы считают, что ω Центавра может быть остатком карликовой галактики, разрушенной Млечным Путем. То, что мы видим сейчас, может быть остаточным ядром той галактики.
Но сами по себе черные дыры нельзя увидеть ни в один современный телескоп. Об их существовании можно судить лишь по тому, как их мощная гравитация влияет на окружающее пространство. Мы знаем, что в Млечном Пути есть сверхмассивная черная дыра Стрелец А*, потому что она влияет на поведение близлежащих звезд. То же самое может происходить и в Омеге Центавра.
Исследование 2024 года обнаружило семь звезд в центре Омеги Центавра, которые движутся очень быстро. Их скорость превышает вторую космическую (англ. escape velocity, буквально «скорость убегания») по отношению к барицентру скопления. Однако что-то удерживает их на месте. Самый очевидный вывод заключается в том, что их стопорит невидимая черная дыра. Чтобы «сбежать» от нее, второй космической скорости не хватает.
Известно, что черные дыры поглощают материю. В рамках нового исследования с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» ω Центавра изучалась в поисках сигнатур такого поглощения. Наличие таких признаков подтвердило бы идею о том, что в Омеге Центавра находится черная дыра промежуточной массы. Результаты работы были опубликованы в The Astrophysical Journal. Статья доступна на сервере препринтов arXiv, а ее ведущий автор — аспирант Стивен Чен с факультета физики Университета Джорджа Вашингтона в Вашингтоне, округ Колумбия.
Поиск черных дыр средней массы в шаровых скоплениях может включать в себя прямое обнаружение излучения ЧДПМ или косвенное наблюдение за ее влиянием на динамику скопления. Черные дыры излучают при аккреции вещества, и это излучение можно обнаружить. В ходе предыдущих исследований в радио- и рентгеновском диапазонах в Омеге Центавра были обнаружены признаки излучения, что позволило ограничить оценку массы предполагаемой черной дыры.
В 2024 году космический телескоп «Джеймс Уэбб» наблюдал за Омегой Центавра с помощью инструментов MIRI и NIRCam. Исследование основано на данных, полученных в ходе этих наблюдений.
Предыдущие работы накладывали ограничения на массу сверхмассивной черной дыры в скоплении Омега. Движение быстрых звезд в скоплении указывает на вероятный диапазон масс от 39 000 до 47 000 M⊙, с минимумом в 8200 M⊙.
Новые наблюдения с помощью JWST не могут однозначно сказать, есть ли в Омеге черная дыра. Они могут лишь наложить дополнительные ограничения на ее массу, исходя из электромагнитного излучения и того, что известно ученым об эффективности аккреции. Данные JWST исключили нижний предел в 8200 M⊙, и предполагают, что масса составляет около 20 000 M⊙.
Наблюдать за центром Омеги Центавра и пытаться определить наличие ЧДПМ на основе инфракрасных данных очень сложно. Эта область плотно заполнена звездами, и то, что кажется одним точечным источником, может быть двумя или более звездами, расположенными близко друг к другу. На кубический световой год могут приходиться десятки тысяч звезд, а расстояние до Омеги Центавра составляет 17 000 световых лет. Это не так много по галактическим меркам, но и не так мало для исследования столь густонаселенного звездного «общежития».
Авторы несколько раз отметили, что, несмотря на беспрецедентную глубину и разрешение, которые обеспечивает JWST, поиск сигналов от ЧДПМ в столь плотных средах шарового скопления остается сложной задачей. Пределы массы и «чувствительности» ЧДПМ зависят как от расстояний до потенциальных источников поглощаемого вещества, так и от модели и скорости аккреции.
Наложение все более жестких ограничений на объекты поиска — важнейшая составляющая научного прогресса. Ограничивая массу потенциальной черной дыры в Омеге Центавра, авторы делают следующий шаг к возможному подтверждению существования неуловимых «промежуточных» черных дыр, недостающего звена стройной научной концепции.
Будущие наблюдения JWST могут еще больше улучшить измерения собственного движения звезд, полученные за 20 лет наблюдений «Хаббла». Глубина изображений, полученных с помощью JWST, должна позволить обнаружить новые «быстрые» звезды, которые слишком тусклы, чтобы их могли увидеть другие телескопы.
Результаты показывают, что если в системе и есть черная дыра с массой в несколько солнечных или несколько десятков солнечных, то она не излучает много радиации и, следовательно, аккрецирует вещество достаточно медленно. Если будущие измерения собственного движения звезд подтвердят существование черной дыры с массой в несколько солнечных в Омеге Центавра, то ограничения на ее излучение можно будет использовать для уточнения моделей излучения черных дыр в режимах с низкой скоростью аккреции в похожих внутригалактических кластерах.
Похоже, нам придется подождать, прежде чем мы воскликнем: «Эврика!». Но, как показывают подобные исследования, все может свестись к методу исключения, пока не останется единственного правдоподобного объяснения.
Недавно ученые обнаружили двойную звезду с «повадками» Дельты Щита. Hi-Tech Mail выяснил, что это такое.
