Мы живём во Вселенной, усеянной чёрными дырами. В нашей и большинстве других галактик существует бесчисленное множество сверхмассивных чёрных дыр и чёрных дыр околозвёздной массы. Вполне вероятно, что они появились как так называемые «первичные» чёрные дыры в самые ранние эпохи космической истории. Однако, похоже, в этой классификации есть недостающее звено: чёрные дыры средней массы (ЧДСМ). Астрономы ищут этих редких монстров уже много лет, но есть только одно возможное наблюдение благодаря данным о гравитационных волнах. Так где же они находятся?
ЧДСМ могут прятаться в сердцах шаровых скоплений. Но, учитывая плотную упаковку этих компактных скоплений звёзд, как мы узнаем, есть ли в них ЧДСМ? Команды исследователей из Японии и Китая придумали несколько способов их поиска. Один из них — искать быстро движущиеся звёзды, выбрасываемые из шаровых скоплений. Другой — моделировать столкновения звёзд в сердцах новообразующихся скоплений. Оба метода могут указать путь к новым открытиям ЧДСМ.
Что такое чёрные дыры средней массы?
Эти редкие объекты во многом соответствуют своему названию: чёрные дыры с массой, находящейся где-то между звёздными массами и сверхмассивными гигантами в сердцах галактик. Они могут иметь массу, в тысячу раз превышающую массу Солнца, что считается довольно «маленьким», и до миллиона солнечных масс. Дальше уже начинаются сверхмассивные монстры с массой, в миллионы или миллиарды раз превышающей массу Солнца. ЧДСМ не возникают в результате взрывов сверхновых, поскольку не бывает достаточно массивных звёзд, которые могли бы разрушиться и породить ЧДСМ. Рождение ЧДСМ должно происходить при слиянии нескольких массивных объектов. Это делает их более похожими на своих более крупных родственников — сверхмассивные чёрные дыры.
Так где же может произойти такое столкновение? В плотном скоплении звёзд, тесно упакованных рядом друг с другом. Это как раз и есть определение шаровых скоплений. Они переполнены звёздами, и, скорее всего, среди них есть очень массивные. Именно такие звёзды взрываются как сверхновые и разрушаются, образуя чёрную дыру звёздной массы. Если таких звёзд в скоплении достаточно, они могут слиться и создать ЧДСМ. Другой вариант создания ЧДСМ — столкновение массивных звёзд с образованием одного более массивного объекта.
Множество шаровых скоплений вращается вокруг ядра галактики Млечный Путь. В некоторых из самых плотных скоплений миллионы звёзд притягиваются друг к другу под действием гравитации. Хорошим примером является скопление Мессье 15 (М15). Оно содержит более 100 000 звёзд, теснящихся в области пространства размером около 175 световых лет. Если в М15 произошли столкновения звёзд или слияние чёрных дыр со звёздной массой, этого могло бы быть достаточно для создания ЧДСМ.
Моделирование шаровых скоплений и роста чёрных дыр средней массы
Ещё одна идея — изучить процесс образования шаровых скоплений, чтобы понять, есть ли в нём какие-либо подсказки для происхождения и существования ЧДСМ. Именно этим и занялась группа учёных из Токийского университета. Они создали продвинутое моделирование формирования звёздных скоплений, чтобы выяснить, могут ли столкновения массивных звёзд привести к рождению ЧДСМ. Это непростая задача. Предыдущие симуляции предполагали, что звёздные ветры сдуют массу, необходимую для создания этих недостающих чёрных дыр.
«Моделирование образования звёздных скоплений было сложным из-за его стоимости, — говорит руководитель группы Мичико Фудзии. — Мы впервые успешно провели численное моделирование формирования шарового скопления, изображая отдельные звёзды. Разрешив отдельные звёзды с реалистичной массой для каждой, мы смогли реконструировать столкновения звёзд в плотно упакованной среде. Для этих симуляций мы разработали новый код, в котором мы могли интегрировать миллионы звёзд с высокой точностью».
В результате моделирования выяснилось, что в результате столкновений очень массивные звёзды собираются вместе. Это идеальные кандидаты на роль ЧДСМ. «Наша конечная цель — смоделировать целые галактики, разрешив отдельные звёзды, — говорит Фудзии, указывая на будущие исследования. — Пока ещё трудно моделировать галактики размером с Млечный Путь, разрешая отдельные звезды с помощью имеющихся на сегодняшний день суперкомпьютеров. Однако можно было бы работать с галактиками меньшего размера, например карликовыми. Мы также хотим исследовать первые скопления — звёздные скопления, образовавшиеся в ранней Вселенной. Первые скопления — это также места, где могут рождаться ЧДСМ».
Убегающие звезды и ЧДСМ
Итак, моделирование показывает, что такие ЧДСМ возможны в среде шаровых скоплений, но каковы физические доказательства того, что они действительно существуют? Никто не обнаружил столкновений чёрных дыр звёздной массы внутри скопления, чтобы создать ЧДСМ. Не наблюдалось и столкновений звёзд, которые могли бы создать объект-монстр, хотя японское моделирование доказало, что такое может произойти. Теперь задача состоит в том, чтобы наблюдать оба типа событий. Пока этого не произошло, астрономы могут выяснить, существуют ли ЧДСМ, косвенным путём.
Китайская исследовательская группа под руководством Яна Хуана из Университета Китайской академии наук недавно опубликовала работу о высокоскоростной звезде, покинувшей место столкновения в центре скопления Мессье 15. Звезда, получившая название J0731+3717, была выброшена в результате столкновения с чёрной дырой средней массы, расположенной очень близко к центру скопления.
J0731+3717 отправилась в своё скоростное путешествие около 21 миллиона лет назад. Команда исследователей изучила её металличность (то есть соотношение водорода и более тяжёлых элементов (астрономы называют их «металлами»)) и обнаружила, что она соответствует звёздам в M15. Звезда-изгой удаляется от скопления со скоростью около 550 километров в секунду и когда-то «жила» на расстоянии около 1 AU от ядра скопления. Команда проанализировала эти измерения и провела обратные расчёты орбиты этой звезды (и других в радиусе 5 кпк от Солнца). На основании своих расчётов они пришли к выводу, что звезда слишком близко столкнулась с чёрной дырой средней массы, содержащей около 100 масс Солнца.
Команда предлагает использовать этот метод для доказательства существования других ЧДСМ в аналогичных средах. В заключение своей статьи авторы обращают внимание на будущие наблюдения, которые позволят доказать эту концепцию. «С ростом мощности продолжающихся наблюдений Gaia и крупномасштабных спектроскопических обзоров мы ожидаем обнаружить десятки случаев в объёме 5 кпк и в десять раз больше в объёме 10 кпк, что должно пролить свет на понимание эволюционного пути от чёрных дыр звёздной массы до сверхмассивных чёрных дыр».