Неуловимая черная дыра средней массы обнаружена

Черная дыра средней массы — отсутствующее звено между черными дырами размером со звезду и сверхмассивными гигантами.

В центре почти каждой большой галактики находится сверхмассивная черная дыра. Эти титаны, превышающие массу Солнца в миллиарды раз, влияют на эволюцию галактик, в сердце которых они расположены.

Однако астрономы не могут понять, как они достигли таких огромных размеров. Похоже, что некоторые из них сформировались всего 600 миллионов лет спустя после Большого взрыва, когда возраст Вселенной составлял лишь 4% от ее нынешнего возраста. С точки зрения того, как мы понимаем процесс роста черных дыр, это кажется невозможным. «Для создания такой массивной черной дыры так рано ― просто не хватило бы времени», — утверждает Лукаш Выржиковский, астроном из Варшавского университета. «То есть без чего-то такого, из чего они могли бы вырасти», — уточняет он.

Такими «семенами», как полагают, могут быть черные дыры средней массы — гигантские черные дыры, недостающее звено между черными дырами звездной массы, образованными в результате смерти звезд, и сверхмассивными черными дырами. Черные дыры средней массы должны весить от 100 до 100 000 солнечных масс, и, по мнению ученых, они представляют собой важнейший этап в процессе роста монстров в центрах галактик.

Главная проблема в том, что их сложно обнаружить. «Черные дыры ничего не излучают, — сказал Дэниел Хольц, астрофизик из Чикагского университета, — Поэтому их очень сложно найти».

Астрономы уже выявили несколько потенциальных кандидатов на звание “черная дыра средней массы”. В прошлом году при помощи космического телескопа “Хаббл” им удалось обнаружить черную дыру в 50 000 солнечных масс, поглощающую звезду; другой кандидат в 20 000 раз тяжелее Солнца, HLX-1, кажется, занят тем же.

Исследователи утверждают, что благодаря новому методу они нашли черную дыру массой до 55 000 солнечных. Статья об этом открытии была недавно опубликована в журнале Nature Astronomy, в ней также представлена стратегия поиска, которая поможет обнаружить гораздо больше подобных черных дыр в будущем.

Исследованием руководил Джеймс Пейнтер, докторант Мельбурнского университета. В 2018 году научный руководитель и соавтор Пэйнтера Рэйчел Вебстер попросила его проанализировать примерно 2700 гамма-всплесков (ярких вспышек энергии, которые, предположительно, являются результатом слияния нейтронных звезд или гигантских сверхновых звезд), данные о которых были собраны гамма-обсерваторией НАСА “Комптон” (англ. Compton Gamma Ray Observatory, CGRO) между 1991 и 2000 гг.

Он искал пары почти идентичных гамма-всплесков, следовавших один за другим с небольшим перерывом. Двойная вспышка может указывать на то, что гамма-всплеск «линзируется» объектом, находящимся между ним и нами. Таким массивным объектом, искривляющим свет всплеска на пути к Земле, может быть черная дыра средней массы.

Во всем наборе данных из 2700 гамма-всплесков автоматизированное программное обеспечение Пейнтера выделило только один случай. В 1995 году обсерватория “Комптон” зарегистрировала вспышку от предполагаемого гамма-всплеска, который произошел, когда Вселенной было около 3 миллиардов лет. Спустя полсекунды был зарегистрирован почти идентичный всплеск.

Команда пришла к выводу, что между Землей и гамма-всплеском находится черная дыра средней массы. Гамма-всплеск располагался не ровно по центру черной дыры, поэтому его свет прошел по двум разным путям, один из которых был немного длиннее. «Линза влияет на путь двух фотонов, двигающихся вдоль противоположных «краев» черной дыры, — объясняет соавтор Эрик Трейн, астрофизик из Университета Монаша. — Вот почему одну вспышку мы видим раньше другой».

Черная дыра как линза: черная дыра средней массы могла искривить изучение от далекого гамма-всплеска. Свет, двигающийся по двум путям, достигнет Земли за разное время, поэтому будет выглядеть как две вспышки.

Но это объяснение убедило не всех. По словам Натали Уэбб, астрофизика из Исследовательского института астрофизики и планетологии во Франции, одна из сложностей заключается в том, что мы не знаем, сколько черных дыр средней массы существует во Вселенной. Насколько нам должно повезти, чтобы ровно между нашей планетой и гамма-всплеском находилась такая дыра? «По расчетам некоторых людей, таких дыр огромное количество, 1000 на галактику, и в этом случае подобное может произойти», — считает Уэбб. — Если бы они встречались реже, то да, это было бы менее вероятно».

Другая проблема заключается в том, что мы недостаточно знаем о самих гамма-всплесках — возможно, вспышки появляются дважды естественным образом, а не в результате линзирования. «Они все такие разные и странные, — говорит Хольц. — Главный вопрос здесь: может ли это быть просто двойной гамма-всплеск?». Линзирование также могло быть вызвано шаровым звездным скоплением (большое скопление старых звезд, обладающее симметричной сферической формой), но команда считает, что это маловероятно, поскольку шаровые скопления в 100 раз менее распространены, чем черные дыры промежуточной массы. «Шансы, что скопление окажется в нужном месте, малы», — утверждает Трейн.

Конкретно эти вспышки были обнаружены более двух десятилетий назад, поэтому мы, скорее всего, уже никогда не узнаем наверняка. Более захватывающая перспектива заключается в том, что описанный метод — поиск черных дыр средней массы, которые действуют как линзы, — поможет нам совершить еще больше открытий в будущем.

«Выявление популяции черных дыр промежуточной массы с помощью линзирования — увлекательное занятие», — считает Хольц. Выржиковский использовал данные телескопа GAIA для поиска черных дыр средней массы, которые искривляют свет звезд, а не гамма-всплесков, но похвастаться ему пока нечем.

Черные дыры средней массы могли бы не только объяснить рост сверхмассивных черных дыр, но и предоставить доказательства в пользу другой загадки космоса — темной материи. Темная материя, которая, по мнению ученых, составляет 85% массы Вселенной, возможно, сама по себе была важнейшим ингредиентом, подпитывающим рост черных дыр промежуточной массы. «Очень сложно создать подобную ​​черную дыру из обычной материи», — утверждает Выржиковский. — Это требует слияния множества звезд, а в [ранней] Вселенной для этого было недостаточно времени».

Ожидается, что новые телескопы помогут в охоте за неуловимыми черными дырами средней массы. По словам Пейнтера, потенциал данных обсерватории “Комптон” десятилетней давности уже исчерпан, но можно проанализировать еще около 7000 гамма-всплесков, полученных с помощью других телескопов. К тому же, космический гамма-телескоп Ферми НАСА (анг. Fermi Gamma-ray Space Telescope) продолжает обнаруживать их и сейчас. «Пришло время проанализировать другие наборы данных в поисках новых случаев линзирования», — сказал Пейнтер.

Многие надеются, что загадка таинственных черных дыр промежуточной массы, а вместе с ней и рост сверхмассивных черных дыр, скоро будут решены, и не важно при помощи какого метода. «Все верят, что они есть, — говорит Трейн. — Они точно должны существовать где-то во Вселенной. Нужно только найти, где именно».