Крупнейшая черная дыра с надежной оценкой массы оказалась весом в 40 миллиардов Солнц

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.

Тимур Кешелава