«Охота уже начата»

Что такое черные дыры промежуточной массы и почему их так сложно найти

Черные дыры промежуточной массы остаются одними из самых «долгожданных» объектов современной астрофизики. Вокруг их поиска разворачиваются почти такие же страсти, как и вокруг гравитационных волн. До сих пор известен лишь один источник, более или менее подходящий на роль такого объекта, хотя все расчеты, да и сама логика рассуждений ученых указывает, что Вселенная должна быть полна таких средних черных дыр.

Лишь недавно астрономы из Франции совместно с работающим в ГАИШ им. Штернберга МГУ кандидатом физико—математических наук Иваном Золотухиным обнаружили сразу десятки подходящих на эту роль кандидатов. Статья, опубликованная авторами в The Astrophysical Journal, лишь накаляет страсти — а мы поговорили с Иваном Золотухиным о проблеме «средних» черных дыр и перспективах ее решения.

«N+1»: Прежде всего, поясните, в чем состоит проблема черных дыр промежуточной массы?

Иван Золотухин: Проблема эта существует, поскольку до сих пор окончательно неясно, как именно сформировались сверхмассивные черные дыры в центрах самых древних галактик. Вообще, известны черные дыры звездной массы — они образуются в результате гибели очень крупных звезд и имеют массу от нескольких масс Солнца до нескольких десятков. Другие черные дыры — сверхмассивные, масса их может составлять от миллионов и до десятков миллиардов солнечных масс.

Считается, что такие гигантские черные дыры формируются за счет коллапса вещества в центрах больших галактик и затем растут, поглощая окружающее вещество, звезды и другие черные дыры. При этом мы знаем, что практически у каждой крупной галактики в центре есть такая гигантская черная дыра: хотя их самих и не видно, но падающее в такую дыру вещество очень активно излучает, создавая видимые и мощные источники — квазары.

Проблема в том, что можно увидеть квазары, находящиеся очень и очень далеко, говоря языком астрономии, на высоких красных смещениях. По сути, это означает, что сверхмассивные черные дыры существовали уже в ранней Вселенной. Самый далеких из известных квазаров относится ко времени около 750 миллионов лет после Большого взрыва. Масса этой черной дыры оценивается примерно в миллиард масс Солнца — и как она за такое короткое время успела так вырасти, уже непонятно.

Ведь, как мы говорили, окружающее вещество, аккрецирующее — падающее — в черную дыру интенсивно излучает. Это излучение, грубо говоря, отталкивает приближающееся вещество. Поэтому существует определенный верхний предел, который определяет максимальную скорость, с которой черная дыра вообще способна поглощать материю. Эта величина подсчитана и определяется пределом Эддингтона.

Теперь, если мы возьмем этот предел, то легко показать, что за 750 миллионов лет миллиард солнечных масс сверхмассивная черная дыра набрать никак не может. По крайней мере, просто поглощением обычной материи, сколько бы ни было ее вокруг. Можно показать, что на то, чтобы набрать одну солнечную массу, сверхмассивной черной дыре требуется около тысячи лет. Отсюда и возникает вопрос о том, как же такие древние дыры образовались.

Поэтому было выдвинуто предположение о том, что этот процесс в ранней Вселенной мог «распараллеливаться». Иначе говоря, небольшие черные дыры росли одновременно, набирая некоторую среднюю, промежуточную массу, а затем уже сливались друг с другом, образуя первое поколение сверхмассивных черных дыр.

«N+1»: Эти промежуточные черные дыры появлялись из тех же звезд?

И.З.: Разумеется, из первых поколений звезд. В отличие от Солнца и других сравнительно молодых звезд, состоящих из вещества, которое уже частично «перегорело» в звездах предыдущих поколений, первые звезды, которые зажглись во Вселенной, не содержали металлов — элементов тяжелее водорода и гелия. Это позволяло им набирать особенно большие размеры.

Сегодня верхний предел массы звезд составляет порядка десятков масс Солнца, в лучшем случае — чуть больше сотни. А тогда они, по теоретическим данным, могли иметь и тысячи солнечных масс. Соответственно, жили такие огромные звезды недолго и, погибая, сразу создавали довольно крупные черные дыры, в сотни масс Солнца. Этот факт тоже указывает на то, что черные дыры средней массы могли быть очень распространены в ранней Вселенной и служить зародышами дыр уже сверхмассивных.

Теряя орбитальную энергию, они сближались, создавая черные дыры все более крупные. При этом Общая Теория Относительности предсказывает, что если сливаются две черные дыры, то получившийся из них в результате «продукт» получает дополнительный импульс, иногда очень мощный. И если эти дыры имели более или менее равную массу, то новая дыра может даже выбрасываться за пределы исходного скопления.

Лишь затем — постепенно, за миллионы лет — они возвращались «на место», снова сливаясь с черной дырой, которая опять появлялась в центре скопления. Так раз за разом, за тысячи и десятки тысяч слияний, дыры росли. И в результате получились сверхмассивные, которые «сдвинуть с места» уже практически невозможно.

В принципе, эта картина подтверждается и наблюдениями — известны некоторые двойные сверхмассивные черные дыры, которые находятся если не в процессе слияния, то на пути к нему. Или, например, в соседней Туманности Андромеды сверхмассивная черная дыра слегка смещена относительно того места, где она должна была бы «сидеть». Судя по всему, не так давно ее что-то сместило — скорее всего, именно акт такого слияния с черной дырой поменьше.


«N+1»:
 И все-таки, в чем тогда проблема?

И.З.: Проблема в том, что когда теоретики моделируют и просчитывают все эти процессы роста, то получается, что только в нашей Галактике до сих пор должно быть порядка сотен черных дыр промежуточной массы. Они испытали десятки, сотни слияний, но не тысячи, и сверхмассивной черной дырой в центре галактики еще не поглощены. При этом увидеть их не получается.

Сложность тут состоит в том, что, получив сильные импульсы в результате предыдущих слияний, такие черные дыры выброшены на высокие орбиты, за пределы плоскости галактического диска, откуда очень медленно возвращаются к центру. Там, где звезд и другой материи чрезвычайно мало, они оказываются невидимы. Ведь без дополнительного вещества, падающего в черную дыру, сама по себе она остается недоступной для наблюдений.

Можно было бы заметить ее по гравитационному действию на соседние объекты, но ведь и звезд у них в близких окрестностях нет, а значит, и этот путь в данном случае закрыт. Получается, что всем более или менее понятно, что черные дыры промежуточной массы есть — но находятся они где-то «высоко», и никаких их проявлений увидеть мы не можем.

«N+1»: Их так до сих пор и не увидели?

И.З.: Да, за единственным исключением. В 2009 году группа астрономов из Тулузы совершенно случайно обнаружила подходящий объект, получивший название HLX-1 (Hyper-Luminous X-ray Source 1, «гипермощный рентгеновский источник № 1» — прим. редактора). Это было чистое везение: студентке была поручена рутинная работа по изучению мягких рентгеновских спектров для поиска нейтронных звезд в галактике. И она заметила такой странный объект, который, с одной стороны, давал нужный спектр, а с другой — находился рядышком с далекой галактикой.

Авторы тут же кинулись определять его положение, подтвердив, что HLX-1 действительно находится в окрестностях другой галактики, и светимость его просто огромна, сравнима со светимостью нейтронных звезд, находящихся у нас под боком, в нашей Галактике. Исходя из этой светимости и предела Эддингтона, они оценили массу объекта и получили порядка 10 тысяч солнечных масс — как раз то, что нужно.

Несмотря на уже больше десятилетия поисков, до сих пор HLX-1 — это единственный объект, который довольно уверенно можно считать черной дырой промежуточной массы. Поэтому было предположено, что это такой уникальный случай. Теоретики даже подсчитали, что, хотя черных дыр промежуточной массы в принципе множество, сама ситуация, при которой рядом с ней имеется подходящий объект, с которого она может перетягивать вещество и светиться, исключительно редка — порядка одного объекта на область радиусом 100 мегапарсек. Все «подогнали» под уникальность HLX-1.

Однако я заметил, что каталог, в котором был найден HLX-1, покрывал тогда лишь около одного процента неба. Это, по меньшей мере, подозрительно: шансы на то, что студентка, используя такой ограниченный набор, наткнулась на редчайший и едва ли не уникальный объект, невероятно малы. Так что в уникальность HLX-1 мне не верится: думаю, таких объектов — излучающих черных дыр промежуточной массы — должна иметься целая популяция.

«N+1»: Тогда почему их не удается найти?

И.З.: Как правило, в поисках таких объектов рассматривают сравнительно небольшую выборку, берут каталоги, включающие лишь довольно близкие галактики — просто так легче. Это десятки тысяч галактик, а не миллионы. Однако так сложилось, что я получил очень большой опыт работы с «большими данными».

Поэтому я обратил внимание на очень обширные каталоги галактик — прежде всего, массовый обзор красных смещений SDSS (Sloan Digital Sky Survey — «Слоановский цифровой небесный обзор», по данным которого составлена крупнейшая в мире трехмерная карта крупных галактик и черных дыр — прим. редактора). Кроме того, был взят крупнейший каталог рентгеновских источников, составленный по результатам работы космического телескопа XMM-Newton. На него опирались и при находке HLX-1, однако сейчас он заметно расширился и покрывает уже порядка 2,5 процента неба. Ранее мы сделали веб-интерфейс для доступа к этим данным, так что у нас в распоряжении был, во-первых, крупнейший каталог расстояний до галактик, а во-вторых, крупнейший рентгеновский каталог.

«N+1»: Остается сопоставить, наложить друг на друга эти данные?

И.З.: Именно — наложить и вычесть излучающие в рентгене центры галактик — квазары. Затем среди подозрительных объектов надо выбрать те, которые попадают в определенный диапазон светимости, который через предел Эддингтона мы можем перевести в массу: она должна лежать в нужных нам пределах. Такая была идея, над которой мы работали совместно с волонтерами-программистами и с авторами находки HLX-1.

В результате удалось обнаружить ровным счетом 98 подходящих кандидатов, которые расположены в периферических областях галактик и по характеристикам, грубо говоря, похожи на HLX-1.

При этом, конечно, существует вероятность того, что эти объекты с галактиками не связаны. Точное расстояние до рентгеновского источника определить невозможно, нужно найти связанный с ним источник в другом диапазоне волн — как это было в случае с HLX-1. Поэтому наши объекты могут быть и далекими черными дырами промежуточной массы, но с тем же успехом — и более слабыми источниками, находящимися ближе. Например, нейтронными звездами, находящимися в нашей Галактике.

Поэтому мы применили статистическую оценку, чтобы учесть плотность распределения объектов определенной яркости на определенной площади неба. Эти данные известны. И когда мы учитываем их, то даже в самом худшем случае 82 объекта, действительно, могут не иметь отношения к далеким галактикам. Оставшиеся 16 случаев — это рентгеновские источники нужной промежуточной массы, связанные со своими галактиками. Эта минимальная цифра, при самой консервативной оценке, а на самом деле, среди наших 98 кандидатов их, скорее всего, больше.

Мы не знаем, какие именно, но уверен, что они там есть, и охота за ними уже начата. Это задача уже для больших телескопов — и как минимум публикация в Nature. Кроме того, большие ожидания я связываю с работой будущего совместного российско-немецкого проекта «Спектр—РГ» (космическая обсерватория рентгеновского и гамма—диапазонов, запуск которой намечен на 2017 г. — прим. редактора). Она должна отсмотреть уже все небо и, думаю, принесет уже сотни кандидатов, подходящих на роль черных дыр промежуточной массы.

Беседовал Роман Фишман

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.