Крупнейшая черная дыра с надежной оценкой массы оказалась весом в 40 миллиардов Солнц
K. Mehrgan et al. / arXiv.org, 2019
Астрономы оценили массу крупной черной дыры в центре галактики Holmberg 15A, она оказалась равна примерно 40 миллиардам масс Солнца. Это наибольшее значение, полученное надежным методом на основе кинематики звезд, а не исходя из косвенных закономерностей, пишут авторы в препринте на arXiv.org.
Черная дыра — это объект с экстремальной гравитацией, не позволяющей никакому материальному телу покинуть окрестности. Обычно размером черной дыры считают горизонт событий — область, из-под которой не может выбраться свет. Диаметр горизонта событий прямо пропорционален массе черной дыры. Помимо массы, ее характеризует только момент вращения и электрический заряд.
В природе встречаются разные черные дыры, их масса лежит в диапазоне от единиц до миллиардов солнечных. Предполагается, что существуют черные дыры и за пределами этого диапазона, но это пока не было доказано. Черные дыры звездных масс получаются в результате эволюции крупных светил. Самые крупные примеры — сверхмассивные черные дыры (СМЧД) — встречаются в центрах галактик, и подробностей об их происхождении известно мало. В частности, к этому типу относится объект в центре галактики M87, тень от которого удалось пронаблюдать ранее в этом году.
Существует множество способов оценки массы СМЧД, но большинство из них опирается на косвенные зависимости между величинами, зачастую установленными эмпирически и не имеющими четкого теоретического обоснования. В частности, к ним относятся соотношения между массой СМЧД и дисперсией скоростей в ядре галактики, светимостью галактики, массой звезд и радиусом, на котором меняется характер взаимосвязи поверхностной яркости с расстоянием.
Самыми массивными считаются черные дыры в центрах квазаров, однако их оценка проведена на основе энерговыделения и опирается на множество предположений. Также из-за большой удаленности этих объектов их детальное исследование невозможно. Из относительно близких галактик экстремально тяжелая черная дыра предполагаются в центре IC 1101, но ее оценка строится на косвенных соотношениях и также не может считаться окончательной.
Наиболее надежными методами считаются прямые, то есть позволяющие получить оценки массы из динамики звезд или газа в непосредственных окрестностях СМЧД. На данный момент определенные этим способом наиболее массивные объекты расположены в центре галактик NGC 4889 и NGC 1600 — около 20 и 17 миллиардов масс Солнца, соответственно.
В работе под руководством Киануша Мехргана (Kianusch Mehrgan) детально исследовалось ядро Holmberg 15A. Это гигантская эллиптическая галактика, ярчайшая в своем скоплении Abell 85. Как и большинство подобных объектов, она обладает пониженной яркостью в центре, однако в данном случае ядро исключительно велико и тускло. Авторы использовали данные новых спектральных наблюдений центра Holmberg 15A, которые показывают скорость источников света, для создания правдоподобной модели орбитального движения звезд в этой области.
Оказалось, что в наилучшей степени воспроизвести данные наблюдений удается, предполагая, что в центре находится черная дыра с массой 40±8 миллиардов солнечных, что делает ее самым тяжелым объектом, масса которого была определена при помощи моделирования динамики. В таком случае удается воспроизвести многие наблюдаемые свойства галактики, такие как экстремально большое и тусклое ядро. В то же время полученная масса значительно отличается от предсказаний косвенных методов: в частности, она в 9 раз больше ожидаемой, исходя из соотношения с дисперсией скоростей.
Астрономы намерены продолжить изучение объекта, например, проводя более детальное моделирование и сравнивая наблюдаемые величины с результатами космологических симуляций. Авторы надеются, что это позволит узнать историю образования центральных областей гигантских эллиптических галактик, которые должны получаться в результате слияния крупных предшественников. Также исследователи отмечают, что, исходя из полученной оценки массы, радиус тени данной черной дыры лишь слегка не дотягивает до текущих возможностей Телескопа горизонта событий — 18 микросекунд дуги против 25. Вполне вероятно, что переход на более короткие волны или другие улучшения позволяет напрямую проверить сделанную оценку.
Ранее ученые использовали фотографию тени черной дыры для получения новых ограничений на массу темной материи, впервые увидели рождение черной дыры и нашли внезапно пробудившуюся черную дыру.
Источник
Сверхмассивная черная дыра
Сверхмассивная чёрная дыра — это чёрная дыра с массой 105—1011 масс Солнца. Сверхмассивные чёрные дыры обнаружены в центре многих галактик, включая Млечный Путь.
Сверхмассивные чёрные дыры — это одни из самых интересных объектов во Вселенной. Своеобразные пассионарии, у которых все силы и явления проявляются в крайней степени, вокруг которых многое вертится. Они заметно различаются по размеру. Самые крупные могут быть в миллиарды раз тяжелее нашего Солнца. В течение уже многих десятилетий считается, что в центре каждой галактики находится сверхмассивная чёрная дыра.
Современные астрономы обнаружили, что есть разные виды черных дыр. Есть вращающиеся черные дыры, электрические черные дыры и вращающиеся электрические черные дыры. Тип черной дыры зависит от количества энергии, которую она выделяет при искажении пространства.
Сверхмассивные чёрные дыры имеют специфические свойства, отличающие их от меньших чёрных дыр:
- Средняя плотность сверхмассивной чёрной дыры может быть очень мала (даже меньше плотности воздуха )
- Приливные силы около горизонта событий значительно слабее из-за того, что центральная сингулярность расположена так далеко от горизонта. Так гипотетический космонавт, путешествующий к центру чёрной дыры, не почувствует воздействия экстремальных приливных сил до тех пор, пока не погрузится в неё очень глубоко.
Формирование сверхмассивных черных дыр
Сверхмассивные чёрные дыры отличаются от черных дыр звёздных масс, собственно, огромной массой и, возможно, способом своего образования. Черная дыра звёздных масс — образуется путём коллапса массивной звезды (более 3-х масс Солнца), — способ же образования сверхмассивной черной дыры — до сих пор неизвестен.
Существует несколько версий образования сверхмассивной чёрной дыры, каждая из которых пока не получила убедительных доказательств:
- образуются из обычных черных дыр путем наращивания массы в богатых пылью и газом регионах Вселенной.
- из гипотетических черных дыр средних масс.
- возникают напрямую из больших количеств газа и пыли.
Черные дыры средних масс — обнаруживаются очень редко и кандидатов на этот вид единицы, что противоречит наблюдаемым количествам их якобы потомков сверхмассивных.
В феврале 2017 года исследование выявило черные дыры промежуточных масс в центре гигантского скопления 47 Тукана.
В тоже время в 2016 году поступили данные о ВОЗМОЖНОМ ОБНАРУЖЕНИИ процесса рождения сверхмассивной чёрной дыры в ранней Вселенной напрямую из гигантских облаков газа.
Активность сверхмассивных чёрных дыр
Большинство гигантских черных дыр ведут себя очень спокойно, ничем себя не выдавая. Малая же часть их — это феерические обжоры, которые шумно поедают материю, затягивая в свои бездонные глотки всё, что попадается им на пути. Невероятная гравитация затягивает сюда по спирали пыль и газ, и это вещество, погибая, испускает огромное количество излучения во всех частях электромагнитного спектра.
Эллиптическая галактика Лебедь А находится в 600 миллионах световых лет от нас. Это ближайшая к нам галактика, в центре которой находится активная чёрная дыра.
Черная дыра лебедь x-1
Естественно, она вызывает повышенный интерес научного сообщества. Не так давно были опубликованы результаты исследования, в ходе которого астрономы попытались выяснить, как активные галактики вроде Лебедя А генерируют вокруг себя «торы» — похожие на пончики газопылевые образования.
С помощью новейшей камеры учёным удалось впервые засечь инфракрасное излучение, испускающееся окружающим галактику тором. Эти данные впоследствии использовались, чтобы проследить за поведением магнитных полей Лебедя А.
Сравнив эту информацию с той, что получена с помощью других средств наблюдения, учёные выяснили, что магнитные поля, генерируемые ядрами активных галактик, служат чем-то вроде гигантских сетей, захватывающих содержимое тора и затягивающих его в чёрную дыру, которая, видимо, таким образом и питается.
До того как были получены результаты этого исследования, астрономы в качестве силы, кормящей чёрную дыру, рассматривали, по большому счёту, только её гравитацию. Теперь же мы знаем, что не последнюю роль в этом процессе играет и электромагнетизм. В ходе дальнейшего изучения Лебедя А и других галактик, как активных, так и нет, астрономы надеются понять природу взаимоотношений между чёрными дырами и магнитным полями.
Параллельно, возможно, удастся понять, почему такое мизерное количество сверхмассивных чёрных дыр ведёт себя активно.
Самые большие сверхмассивные черные дыры
Ниже представлено несколько самых больших черных дыр с известными массами, измеренными по крайней мере на порядок. Список далеко не полон, но он дает приблизительное представление о том, насколько сложна и обширна наша вселенная.
Центральная черная дыра кластера Феникс
Кластер Феникса является одним из самых массивных из известных кластеров, большая часть его массы находится в форме темной материи и внутрикластерной среды. Сверхмассивная черная дыра в центральной галактике скоплений качает энергию в систему. Считается, что он в 20 миллиардов раз массивнее Солнца, а его горизонт должен составлять порядка 118 миллиардов километров в диаметре.
Данные Чандры и различные наблюдения на других длинах волн показали, что эта черная дыра растет быстро со скоростью, в 60 раз превышающей массу Солнца каждый год. Но так как он уже очень велик, этот показатель не является устойчивым. Рост не может длиться более 100 миллионов лет.
NGC 4889
Самая яркая сфера около центра — галактика NGC 4889
Самая яркая сфера около центра — галактика NGC 4889. Обнаруженная в 1785 году, она является самой яркой галактикой в северной части скопления комы, расположенной на среднем расстоянии 308 миллионов световых лет от Земли.
В основе NGC 4889 находится одна из самых больших черных дыр, которая нагревает внутрикластерную среду за счет трения, создаваемого падающей пылью и газами. Эта сверхмассивная черная дыра почти в 5200 раз массивнее центральной черной дыры Млечного Пути, и весит около 21 миллиарда солнечных масс. Горизонт событий черной дыры имеет ширину от 20 до 124 миллиардов километров, что эквивалентно диаметру орбиты Плутона от 2 до 12 раз.
В настоящее время он дремлет, и вокруг него, кажется, остаются стабильные звезды. Тем не менее, космический телескоп Хаббла обнаружил ионизированную среду вокруг сверхмассивной черной дыры, предполагая, что NGC 4889, возможно, был квазаром миллиарды лет назад.
APM 08279 + 5255
В 2002 году наблюдения Чандры показали, что высокоскоростные ветры уносят газы (до 40% скорости света) из сверхмассивной черной дыры, питающей квазар APM 08279 + 5255. Квазар расположен в созвездии Рысь и имеет яркость, равную одному квадриллиону, яркости Солнца. Это яркий источник света практически на всех длинах волн, и он стал одним из наиболее исследованных отдаленных объектов.
Сверхмассивная черная дыра, питающая APM 08279 + 5255, весит 23 миллиарда солнечных масс (измеряется по скоростям молекулярного диска). Однако другой метод измерения, называемый реверберационным картированием, показывает, что черная дыра весит 10 миллиардов солнечных масс — огромная разница между обоими методами измерения. Двойное изображение квазара вызвано гравитационным линзированием (изгибанием его света галактикой, попавшей в него). Этот эффект также усиливает свет квазара в 100 раз, что позволяет углубленно изучить его характеристики, даже если он находится на расстоянии 12 миллиардов световых лет.
В последнее десятилетие исследователи также обнаружили, что APM 08279 + 5255 имеет достаточно воды, чтобы заполнить океаны Земли более чем в 100 триллионов раз.
NGC 6166
NGC 6166 — одна из самых ярких эллиптических галактик [с точки зрения рентгеновского излучения], расположенная на расстоянии 490 миллионов световых лет в созвездии Геркулеса. Около 39 000 шаровых скоплений вращаются вокруг галактики, что указывает на то, что гало NGC 6166 плавно смешивается с внутрикластерной средой.
В центре галактики есть сверхмассивная черная дыра, масса которой в 30 миллиардов раз больше массы Солнца . Ежегодно он поглощает около 200 солнечных масс газа, создавая большие релятивистские струи. Ученые предположили, что центр галактики может также содержать несколько звезд O-типа; редкие сине-белые звезды с температурой более 30000 кельвинов.
H1821 + 643
Сильно светящийся квазар, H1821 + 643, расположен в гигантском кластере с сильным охлаждающим потоком в созвездии Дракон. В 2014 году исследователи обнаружили H1821 + 643 как одну из самых массивных черных дыр и точно рассчитали ее массу, которая эквивалентна 30 миллиардам солнечных масс. Горизонт событий черной дыры имеет ширину 1150 а.е. (1 астрономическая единица равна примерно 150 миллионам километров), а его средняя плотность составляет 22 грамма на метр куба, что меньше, чем воздух на Земле.
Исследователи также обнаружили, что внутрикластерная среда вокруг квазара существенно отличается от других крупных скоплений галактик — энтропия и температура значительно ниже и имеют гораздо более крутые градиенты. Недавно детальный анализ квазара доказал, что наша вселенная заполнена огромными количествами ионизированного водорода, сопровождаемого ионизированным кислородом.
IC 1101
Одна из самых больших и ярких галактик во вселенной, содержит в своем центре сверхмассивную черную дыру , масса которой в 40-100 миллиардов раз превышает массу Солнца. Это эллиптическая галактика, расположенная на расстоянии 1,04 миллиарда световых лет от Земли. Галактика имеет массу около 100 триллионов звезд и простирается на 2 миллиона световых лет от ее ядра.
Как и другие массивные галактики, IC 1101 содержит большое количество богатых металлами звезд, некоторым из которых 11 миллиардов лет, и они имеют золотисто-желтый цвет.
S5 0014 + 81
Относится к наиболее энергичному типу активных ядер галактик — это блазар, расположенный вблизи области высокого склонения созвездия Цефея, на расстоянии около 12,07 миллиардов световых лет от Земли. Это 6-й самый яркий квазар, известный на сегодняшний день, с яркостью более 10 41 Вт.
Чтобы поместить это в перспективу, это в 25 000 раз ярче, чем все звезды в галактике Млечный Путь вместе взятых.
Центральная черная дыра блазара чрезвычайно жестока — она поглощает огромное количество материалов (более 4000 солнечных масс вещества) каждый год. В 2009 году данные, полученные из Обсерватории Нила Герилса Свифта, позволили ученым рассчитать массу центральной черной дыры . Они обнаружили, что он в 40 миллиардов раз массивнее нашего Солнца, а его горизонт событий имеет ширину 236,7 миллиарда километров, что эквивалентно 40-кратному радиусу орбиты Плутона.
Holm 15A
Эта область пространства-времени находится в галактике Holm 15A, расположенной на расстоянии 700 миллионов световых лет от Земли. Черная дыра в ядре галактики Holm 15A, центрального объекта скопления галактик Abell 85 в созвездии Кита, является самой тяжелой среди всех обнаруженных до настоящего времени областей пространства-времени.
Скопление Abell 85, в котором располагается Holm 15A, состоит из более чем 500 отдельных галактик.
Астрофизики впервые произвели оценку массы черной дыры и выяснили, что она тяжелее Солнца в 40 миллиардов раз.
Исследование провели немецкие ученые из Мюнхенской обсерватории и Института внеземной физики Макса Планка.
«Взвесить» массу черной дыры астрофизикам удалось впервые в истории. Измерения были произведены с помощью спектрографа MUSE телескопа VLT, являющегося самым большим по площади зеркал телескопом на Земле.
По мнению ученых, такие сверхмассивные галактики как Holm 15A появляются при слиянии двух и более мелких галактик. Из-за гравитационного взаимодействия из центра новой галактики звезды выбрасываются на радиальные орбиты. На их месте возникает черная дыра. Астрофизики пришли к выводу, что с каждым новым слиянием черная дыра набирает массу.
TON 618
Тон 618 — это гиперлюминиевый квазар, расположенный в 10,37 миллиардах световых лет от Земли.
Он содержит самую большую черную дыру [известную человечеству], вес которой в 66 миллиардов раз превышает массу нашего Солнца.
Впервые он был обнаружен в 1957 году при съемке слабых голубых звезд, которые не лежат на плоскости Млечного Пути. Более детальное радиообследование, проведенное в 1970 году, определило TON 618 как квазар. TON 618 считается аккреционным диском чрезвычайно горячего газа, циркулирующего вокруг массивной черной дыры в центре галактики. Это так ярко, что затмевает остальную часть галактики.
Фактически, это один из самых ярких объектов во Вселенной со светимостью 4 × 10 40 Вт, что эквивалентно 140 000 миллиардов раз больше Солнца. Поскольку газ в аккреционном диске движется с очень высокой скоростью (около 7000 км / с), черная дыра создает исключительно сильную гравитационную силу. И горизонт событий такой массивной черной дыры будет 2600 а.е. в диаметре.
Сверхмассивные чёрные дыры в карликовых галактиках
В 2011 году активную сверхмассивную чёрную дыру массой 3⋅10 6 M ⊙ нашли в карликовой галактике Henize 2−10 в 30 млн световых лет от Солнца в созвездии Компаса . Затем было найдено около 100 активных массивных чёрных дыр в галактиках с относительно слабым звездообразованием. Дальнейший поиск с помощью более длинных радиоволн помог обнаружить 39 кандидатов в менее активные массивные чёрные дыры, из которых минимум 14 из кандидатов являются, скорее всего, массивными чёрными дырами.
Некоторые из этих потенциальных массивных чёрных дыр находятся не в центрах их галактик, а на окраинах. Компьютерное моделирование показало, что до половины всех карликовых галактик могут иметь нецентральные чёрные дыры .
Видео
Источник