Охотники за призраками: Телескопы НАСА выслеживают «блуждающие» черные дыры в карликовых галактиках

Используя космический телескоп «Хаббл» (НАСА) и рентгеновскую обсерваторию «Чандра», астрономы начали охоту за «блуждающими» черными дырами, дрейфующими сквозь карликовые галактики. Обнаружение этих черных дыр-изгоев в таких небольших галактиках может предоставить своеобразную «летопись окаменелостей», которая поможет объяснить, как сверхмассивные черные дыры вырастали до масс, в миллионы или даже миллиарды раз превышающих массу Солнца.

Сверхмассивные черные дыры находятся в центрах всех крупных галактик, и космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) все чаще обнаруживает этих космических титанов уже сформировавшимися, когда возраст Вселенной составлял менее 1 миллиарда лет. Это создает проблему, поскольку процессы слияния и поглощения вещества, которые, как считается, объясняют рост сверхмассивных черных дыр, должны занимать более миллиарда лет для достижения зрелости. Одно из возможных объяснений заключается в том, что процесс, порождающий сверхмассивные черные дыры, может начинаться с так называемых «зародышей черных дыр», которые дают фору этим процессам роста. Эти зародыши, классифицируемые как «тяжелые» или «легкие», до сих пор оставались неуловимыми в галактиках ранней Вселенной.

Однако модели этих зародышей черных дыр предсказывают, что их признаки должны быть видны в карликовых галактиках в локальной Вселенной с общей звездной массой, составляющей миллиарды масс Солнца. Эти карликовые галактики представляют собой уникальную лабораторию для изучения формирования и ранней эволюции черных дыр благодаря их относительно спокойной истории слияний по сравнению с массивными галактиками. Это означает, что они могут служить той самой «летописью окаменелостей» первичных зародышей черных дыр через свои нецентральные промежуточные черные дыры.

Вам также может быть интересно

В массивных галактиках центральные сверхмассивные черные дыры могут быть спокойными, как наша Стрелец A* (Sgr A*), или же они могут жадно поглощать окружающий газ и пыль, создавая бурную и турбулентную среду, которую астрономы называют активным галактическим ядром (АЯГ). Эти АЯГ очень яркие и излучают свет во всем электромагнитном спектре.

Команда исследователей отмечает, что подавляющее большинство черных дыр, найденных в карликовых галактиках, аккрецируют вещество (набирая материал и массу) и были идентифицированы как обитатели АЯГ.

«По сравнению с более массивными галактиками, карликовые галактики могут иметь меньшую центральную звездную плотность и более неправильной формы гравитационные потенциальные ямы», — рассказала руководитель группы Меган Р. Штурм из Университета штата Монтана. «Как следствие, если черная дыра формируется на окраинах своей родной галактики, маловероятно, что она когда-либо по спирали опустится в центр. Некоторые исследователи даже предсказывают, что примерно половина всех черных дыр в карликовых галактиках являются блуждающими.

Если это так, то обзоры всего неба, нацеленные на центры галактик, могут просто упускать из виду большую популяцию карликовых галактик, в которых обитают массивные черные дыры. Это имеет важные последствия для понимания доли черных дыр в этом диапазоне масс и, следовательно, для процесса формирования черных дыр через механизм зарождения».

Взгляд на смещенные от центра АЯГ в ином свете

Проблема с обнаружением блуждающих черных дыр в этих маленьких галактиках заключается в том, что АЯГ карликовых галактик необходимо отличать от других источников излучения, таких как области интенсивного звездообразования («звездные вспышки») и взрывы сверхновых. Это можно сделать, исследуя эти области в нескольких различных длинах волн света.

«Наблюдение массивных черных дыр в карликовых галактиках может быть сложным процессом. Поскольку максимальная светимость АЯГ пропорциональна его массе, АЯГ в карликовых галактиках обычно тусклее, чем их аналоги с большей массой», — говорит Штурм. «Кроме того, АЯГ с низкой светимостью и малой массой могут не иметь традиционной области широких эмиссионных линий или иметь широкие линии, которые слабы и их трудно обнаружить. Это делает их одновременно и более трудными для наблюдения, и более легкими для путаницы с другими звездными объектами или процессами, связанными со звездообразованием».

Эта команда использовала «Чандру» и «Хаббл» для изучения 12 карликовых галактик, в которых АЯГ ранее были обнаружены в радиодиапазоне. Восемь из этих АЯГ оказались смещенными от центров своих галактик-хозяев, то есть были «внеядерными», что указывает на возможность наличия в них блуждающих черных дыр.

«Как правило, сверхмассивные черные дыры находятся в ядре массивных галактик. Однако восемь карликовых галактик в нашей выборке продемонстрировали компактное радиоизлучение, исходящее из-за предела оптического ядра галактики, смещенное примерно на один-два килопарсека [один килопарсек — около 3262 световых лет], а в некоторых случаях и вовсе за пределами галактики-хозяина», — продолжает Штурм. «Это потенциальные кандидаты в „блуждающие“ черные дыры. Хотя эти кандидаты в блуждающие АЯГ наблюдались на радиочастотах, получение подтверждающих наблюдений в оптическом или рентгеновском диапазонах, характерных для АЯГ, позволило бы подтвердить их природу».

Штурм объяснила, что им с коллегами удалось обнаружить один из этих источников, обозначенный как ID 64, в оптическом свете с помощью «Хаббла» и в рентгеновских лучах с помощью «Чандры». Однако это показало, что на самом деле это гораздо более далекое АЯГ, которое просто проецируется на эту карликовую галактику с нашей точки обзора.

«Для семи галактик из нашей выборки не было обнаружено значимых оптических или рентгеновских аналогов. Однако остается вероятность, что это блуждающие черные дыры, которые либо изолированы, либо находятся внутри шаровых скоплений или ядерных звездных скоплений, которые просто находятся ниже пределов обнаружения нашего телескопа „Хаббл“, — продолжила она. — Также остается вероятность, что это фоновые галактики с высоким красным смещением, которые случайно накладываются на наши галактики на небе, как в случае с ID 64».

Определение того, действительно ли в этих семи галактиках обитают блуждающие черные дыры, или же эти радиосигналы исходят от более далеких АЯГ, может потребовать привлечения помощи JWST — космического телескопа-«собрата» «Хаббла» стоимостью 10 миллиардов долларов.

«Установить происхождение внеядерных радиоисточников для оставшихся семи кандидатов в блуждающие черные дыры, возможно, удастся благодаря исключительным возможностям JWST, — считает Штурм. — Обладая более высоким разрешением, JWST сможет напрямую наблюдать источник компактного радиоизлучения, будь то ядро разрушенной карликовой галактики или звездного скопления внутри галактики-хозяина, либо фоновая галактика с высоким красным смещением».

Результаты исследования команды опубликованы в The Astrophysical Journal.