Не в центре внимания: Астрономы поймали черную дыру «средней руки» за уничтожением звезды

Астрономы обнаружили, что необычная оптическая вспышка является результатом того, как звезда была разорвана на части и поглощена черной дырой. Что действительно выделяет этот так называемый «Приливный разрыв события» (TDE), так это то, что задействованная черная дыра, по-видимому, является примером неуловимой черной дыры «промежуточной массы» — класса объектов, которые десятилетиями ставили ученых в тупик.

TDE обычно происходят, когда звезды подходят слишком близко к сверхмассивным черным дырам, находящимся в центрах крупных галактик. В результате колоссальная гравитация этих космических титанов одновременно сжимает звезду по горизонтали и растягивает по вертикали. Эта «спагеттификация» превращает звезду в «звездную лапшу», которая оборачивается вокруг черной дыры. Часть остатков падает в центральную черную дыру, в то время как большая их часть выбрасывается прочь со скоростью, близкой к скорости света, образуя высокоэнергетические джеты. Такие события могут длиться сотни дней или даже лет, прежде чем угаснуть.

Эта оптическая вспышка, получившая обозначение AT2022zod, была замечена в октябре 2022 года и продлилась чуть больше месяца. Ее источник был прослежен до галактики SDSS J105602.80+561214.7, расположенной примерно в 1,5 миллиардах световых лет от Земли. Интригующим было то, что TDE произошел на расстоянии около 10 000 световых лет от центра этой галактики, где находится ее сверхмассивная черная дыра. Это был первый намек на то, что это дело рук не центральной сверхмассивной, а нецентральной черной дыры промежуточной массы.

«AT2022zod обладает характеристиками TDE — вспышки, которую мы наблюдаем, когда звезда разрывается на части при взаимодействии с черной дырой. Такие события в целом не являются обычными, но поскольку мы ожидаем наличия сверхмассивной черной дыры в центре почти каждой галактики, мы ожидаем наблюдать TDE именно в центрах их галактик-хозяек», — рассказала руководитель группы Кристен Дейдж из Университета Кертина, Австралия. «Однако AT2022zod находится немного в стороне от ядра и очень короткая по сравнению с ранее наблюдавшимися TDE, но при этом все еще очень энергичная».

При наблюдении с такого большого расстояния TDE обычно длятся сотни дней, поэтому месячная продолжительность AT2022zod с 13 октября по 18 ноября крайне необычна. «Сочетание того факта, что ее галактика-хозяйка является эллиптической (знаменитой большими популяциями звездных скоплений), при этом событие произошло не в ядре и было коротким, заставило нас задуматься, что это может быть одна из неуловимых черных дыр промежуточной массы, которая может существовать за пределами центра галактики, и, что более важно, это открывает новый путь для их поиска и изучения», — продолжила Дейдж.

Считается, что сверхмассивные черные дыры имеют массу в миллионы или миллиарды раз больше массы Солнца, в то время как черные дыры звездной массы, образующиеся при коллапсе массивных звезд, имеют массу от трех до нескольких сотен масс Солнца. Это оставляет огромный массовый диапазон между этими двумя типами черных дыр, в котором, как полагают, и находятся черные дыры промежуточной массы (их название говорит само за себя).

Поскольку считается, что сверхмассивные черные дыры растут в результате слияния цепочек все более массивных черных дыр, разумно предположить, что черные дыры промежуточной массы играют ключевую роль в этом процессе роста. Это означает, что черные дыры в этом диапазоне масс должны быть довольно широко распространены в космосе, однако астрономам никак не удавалось их обнаружить.

«Я думаю, трудно переоценить, насколько плохо у нас дела с обнаружением черных дыр промежуточной массы. Мы отлично умеем находить сверхмассивные черные дыры, и благодаря детекторам гравитационных волн LIGO-Virgo-Kagra мы становимся лучше в поиске черных дыр звездной массы, но количество кандидатов в черные дыры промежуточной массы, которые достигли хоть какого-то консенсуса в астрономическом сообществе, можно пересчитать по пальцам одной руки», — сказала Дейдж. «До сих пор было известно, что TDE от черных дыр промежуточной массы существуют, но их очень трудно наблюдать. В большинстве случаев они затмеваются другой активностью в центральной области галактики».

Астрономы могут отличить TDE, вызванные черными дырами промежуточной массы, от тех, которые возникают при разрыве звезд сверхмассивными черными дырами, благодаря месту их возникновения и продолжительности этих событий.

«Согласно нашему нынешнему пониманию поведения TDE, мы знаем, что продолжительность события зависит от массы черной дыры, поэтому, при прочих равных условиях, более короткий временной масштаб указывает на черную дыру с меньшей массой», — сказала Дейдж. «Что убедило меня в особенности AT2022zod, так это сравнение с другими TDE на аналогичных расстояниях или с похожими галактиками-хозяевами — оно не вписывалось в их поведение».

Открытие этого нецентрального TDE также может раскрыть больше об окружающей среде, в которой находится эта черная дыра промежуточной массы. Например, совершенно очевидно, что TDE гораздо более вероятны в областях, где звезды плотно упакованы друг с другом. «Если ты не находишься в каком-либо звездном скоплении, обычно в центральном ядерном звездном скоплении галактики, то TDE просто не произойдет, потому что вероятность того, что конкретная звезда случайно подойдет близко к черной дыре, слишком мала», — сказала Дейдж. Такая звездная плотность наблюдается в центрах галактик, но существуют и нецентральные области галактик, где звезды также тесно сжаты вместе.

Несостоявшиеся сверхмассивные черные дыры?

Команда теоретизирует, что этот TDE произошел в шаровом скоплении или в ультракомпактной карликовой галактике (UCD) внутри самой SDSS J105602.80+561214.7. Как шаровые скопления, так и UCD представляют собой плотно упакованные конгломераты древних звезд, находящихся на последних стадиях своей жизни.

«Эти системы — по сути, фабрики по производству черных дыр. Их переполненные и динамические системы предоставляют возможности для слияния черных дыр и их роста до промежуточных масс, особенно через неконтролируемые звездные столкновения», — объяснила Дейдж. «Если объединить это с наблюдательными данными кинематических исследований черных дыр в UCD, это делает их очень убедительной средой для существования черных дыр промежуточной массы!»

Происхождение UCD в настоящее время окутано тайной. Эти плотные звездные области могут возникать, когда два шаровых скопления притягиваются друг к другу, сталкиваются и сливаются, или же UCD могут быть карликовыми галактиками, лишенными своих внешних звезд, что превращает их в компактное и плотное обнаженное галактическое ядро.

«Эти два различных сценария формирования имеют совершенно разные последствия для эволюции черных дыр. Если это обнаженные ядра, то они — „несостоявшиеся“ сверхмассивные черные дыры, с путем формирования, похожим на путь сверхмассивных черных дыр и больших галактик», — пояснила Дейдж. «Если же это просто большие шаровые скопления, то все может быть совершенно иначе, и динамика играет жизненно важную роль в формировании и эволюции черных дыр».

Дейдж сказала, что ученые знают: эллиптические галактики содержат как системы шаровых скоплений, так и UCD, но в данном случае галактика-хозяйка находится так далеко, что команда не может точно определить природу actual среды, в которой находится AT2022zod. «Мы просто знаем, что это какое-то звездное скопление», — сказала Дейдж. «Лично мне бы очень хотелось, чтобы это было шаровое скопление, но, судя по тому, что мы знаем о более близких системах, UCD имеет большой смысл в качестве хозяина в ближайшей Вселенной».

Она добавила, что многие исследования физики UCD показывают, что в них находятся черные дыры в том диапазоне масс, который оценивается для AT2022zod. Это включает в себя систему в Млечном Пути под названием Омега Центавра, хотя Дейдж указала, что до сих пор ведутся споры о том, является ли это плотное звездное скопление в нашей галактике UCD или шаровым скоплением.

Хотя окружение TDE AT2022zod может оставаться загадкой в обозримом будущем, исследование команды может предоставить столь необходимую дорожную карту для обнаружения черных дыр промежуточной массы. Это станет особенно актуальным, когда обсерватория Веры Рубин начнет проводить свое десятилетнее Наследуемое исследование пространства и времени (LSST).

«Рубин готова оказать огромное влияние — она обеспечит невероятно чувствительное 10-летнее оптическое наблюдение миллионов звездных скоплений в пределах 330 миллионов световых лет и должна быть чувствительна к популяциям TDE, происходящих в плотных звездных средах», — заключила Дейдж. «Нам просто нужно убедиться, что мы ищем в правильных местах, можем оперативно проводить последующие наблюдения, чтобы лучше понять физику процесса и саму систему-хозяина, и быть в состоянии интерпретировать то, что мы видим».