Мы знаем о слияниях чёрных дыр благодаря тому, что научились обнаруживать возникающие при этом гравитационные волны. Но когда астрономы пытаются собрать воедино историю слияний чёрных дыр в Млечном Пути, они прибегают к другой тактике. Им необходимо провести астрономическую «судебную экспертизу».
Астрономы считают, что в центрах всех крупных галактик, таких как Млечный Путь, находятся сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД) с массой до миллиардов солнечных масс. Также известно около 50 предполагаемых или подтверждённых чёрных дыр звёздной массы (порядка десятков солнечных масс) в Млечном Пути, и, вероятно, их существует ещё десятки миллионов. Предсказанные теоретически чёрные дыры промежуточной массы (ЧДПМ) находятся в промежутке между двумя этими категориями и имеют массу до ста тысяч солнечных масс, хотя на данный момент их ещё никто не видел.
Очевидный вывод заключается в том, что все они являются звеньями одной цепи и что СМЧД, подобные Стрельцу А* в Млечном Пути, стали такими массивными в результате длинной последовательности слияний. Пытаясь собрать воедино историю слияний СМЧД Млечного Пути, астрономам приходится проявлять изобретательность. Новое исследование изучает историю слияний путём поиска звёзд, выброшенных из Галактического центра (ГЦ).
Исследование называется «Поиск звёзд, выброшенных из галактического центра в DESI» и будет опубликовано в журнале Astronomy and Astrophysics. Ведущий автор — Силл Верберн из Лейденской обсерватории при Лейденском университете в Нидерландах. В настоящее время статья доступна на сайте arxiv.org.
DESI — Dark Energy Spectroscopic Instrument, телескопический прибор, прикреплённый к телескопу Мейола в обсерватории Китт Пик в США. DESI проводит масштабный спектроскопический обзор, направленный на понимание истории расширения Вселенной и роли физики тёмной энергии. Новое исследование объединяет данные DESI с данными «Гайя» для изучения звёздных популяций в гало, особенно звёзд, выброшенных из Галактического центра.
Астрономам известно множество гиперскоростных звёзд, выброшенных из ГЦ в результате взаимодействия со Стрельцом А*. Они движутся со скоростью от сотен до тысяч км/с. Но исследователи хотели найти другие звёзды, выброшенные из ГЦ, которые движутся с меньшими скоростями. Они могут приобретать свою скорость благодаря слияниям чёрных дыр, и их присутствие в звёздном гало могло бы дать подсказки об истории слияний, приведшей к появлению Стрельца А*.
Обнаружить эти звёзды в гало непросто. Звёздное гало — это видимая часть галактического гало, представляющая собой сложную область, состоящую из подструктур, таких как остатки поглощённых галактик меньшего размера. Различные звёздные популяции разного происхождения имеют разную металличность [относительную концентрацию элементов тяжелее водорода и гелия / прим. перев.]. Некоторые из них также имеют разную кинематику. Поэтому, хотя звёздное гало и содержит подсказки об истории Млечного Пути, эти подсказки трудно распознать.
Исследователи искали выброшенные звёзды, фильтруя их по скорости и металличности.
«В этом исследовании мы используем первый выпуск данных DESI для поиска этих более медленных выбросов из ГЦ, которые по идее должны выделяться из популяции звёздного гало своей высокой металличностью ([Fe/H] ≳ 0) и малыми значениями вертикального углового момента (LZ)», — пишут авторы. Их цель — определить популяцию выбросов из ГЦ, которая накапливалась в гало в течение миллиардов лет.
«Не известно других популяций звёздного гало с металличностью, подобной ГЦ, поэтому металличность является решающим фактором в идентификации этой популяции звёзд», — поясняют авторы.
Первым шагом исследователей было моделирование популяции выброшенных из ГЦ звёзд. Это дало наводку, по которой они могли распознать эти звёзды в данных DESI и «Гайя». Затем им нужно было идентифицировать эту популяцию звёзд и при этом понять, что другие популяции, не связанные с выбросами из ГЦ, также занимают часть того же пространства параметров. Речь идёт о звёздных остатках карликовой галактики Гайя-Энцелад и события, известного под названием «Всплеск».
«В этой работе мы исследовали возможность выявления избыточной плотности звёзд с высокой металличностью при низких угловых моментах в галактическом гало с помощью данных DESI DR1», — пишут авторы в своём заключении. «Такая популяция может указывать на разрушения по механизму Хиллса бинарных звёзд вблизи звезды Sgr A или на прошлые слияния звезды Sgr A с промежуточной массой или массивными чёрными дырами». (Под нарушением механизма Хиллса понимается разрушение двойной звёздной системы в результате взаимодействия со сверхмассивной чёрной дырой).
Команда не обнаружила в гало звёзд, образовавшихся в результате прошлых слияний СМЧД со Стрельцом А*. Хотя во многих научных исследованиях отсутствие данных о звёздах кажется неудачей, в данном случае это не так. Исследование направлено на ограничение популяции этих звёзд, и ноль – это очень сильное ограничение.
«Наш анализ дал ноль обнаружений, и мы используем это для ограничения скорости выброса из ГЦ на временном масштабе ∼5 миллионов лет», — пишут авторы. «В частности, мы пришли к выводу, что средняя скорость выброса за последние ∼5 млн лет не может превышать ∼ 2,8 × 10-3 в год». Но эта скорость согласуется с тем, что ожидается от звёзд, разрушенных только механизмом Хиллса.
«Наши результаты можно использовать для наложения ограничений на механизмы выброса звёзд; особенно интересным приложением является ограничение истории слияния звезды Sgr A», — пишут авторы. «Мы ожидаем, что отсутствие обнаружений популяции выброшенных звёзд ограничивает пока не очень хорошо изученную нами историю слияния звезды Sgr A на временных масштабах в миллиарды лет», — заключают авторы.