Теория относительности не исключает возможности образования черных дыр с любой массой, при условии, что вещество сжато в достаточно малом пространстве. Однако во Вселенной наблюдаются черные дыры только двух типов: сверхмассивные и черные дыры, образовавшиеся из звезд. Черных дыр, находящихся между этими двумя категориями, не обнаружено. Поиск таких «промежуточных» черных дыр имеет большое значение для космологии, поскольку он поможет прояснить ряд важных вопросов о структуре Вселенной. И за последний месяц в Млечном Пути было найдено сразу два перспективных объекта, которые могут оказаться черными дырами средней массы.
Общепринятое объяснение формирования черной дыры, связанное с коллапсом звезды на завершающем этапе ее жизни, относится только к образованию черных дыр звездной массы. Они возникают из звезд, масса которых как минимум в пять раз превышает массу Солнца, а чаще – от 10 до 150 солнечных масс. Не все вещество звезды подвергается коллапсу, поэтому масса таких черных дыр варьируется от трех до 130 солнечных масс, они редко имеют устойчивый аккреционный диск и, как следствие, остаются невидимыми.
Несмотря на это, астрофизики уверены в наличии черных дыр звездной массы. Часть таких объектов входит в состав двойных звездных систем, где они поглощают вещество звезды, что приводит к рентгеновская двойная звезда. Подобные объекты были найдены только в нашей Галактике, их насчитывается около полусотни. Черные дыры звездной массы проявляют себя, когда взаимодействуют с другими темными объектами или сталкиваются между собой, в результате чего возникают гравитационные волны.
Сверхмассивные черные дыры, напротив, представляют собой наиболее яркие объекты во Вселенной, однако механизм их возникновения остаётся нерешённым. Обладая массой от 100 тысяч до десятков миллионов солнечных масс, они должны были поглощать вещество с колоссальной скоростью, чтобы сформировать ядра галактик на ранних этапах развития Вселенной.
Согласно одной из наиболее детально разработанных гипотез, сверхмассивные черные дыры увеличивают свою массу посредством слияния с менее крупными черными дырами. Исходя из этой концепции, во Вселенной должно существовать достаточное количество промежуточных черных дыр массой от сотен до десятков тысяч солнечных.
Проблема заключается в том, что астрономы, обладающие достаточными знаниями для работы на подобных объектах, насчитываются едва ли десять человек, а подтверждение их квалификации вызывает трудности. Выявление черной дыры средней массы ( intermediate-mass black hole, IMBH) так же сложно, как и определение звездной массы, хотя их статистическая распространенность ниже. Гравитационные обсерватории до сих пор не зарегистрировали ни одной, рентгеновские двойные с IMBH неизвестны, остаются только наблюдения за аномалиями в движениях газопылевых облаков и звезд в скоплениях.
Благодаря последнему методу два кандидата в черные дыры средней массы стали наиболее убедительными среди всех обнаруженных, и оба они расположены в нашей Галактике, Млечном Пути.
Первый находится в шаровом звездном скоплении Омега Центавра, которое удалено от Земли на 17 тысяч световых лет. Это звездное скопление, включающее более 10 миллионов звезд, является крупнейшим в нашей Галактике.
Наличие IMBH в Омеге Центавра впервые предположили 16 лет назад, но каких-либо достоверных данных, подтверждающих это, тогда не было. Согласно новой научной работе, опубликованной в рецензируемом научном журнале Nature, теперь необходимые доказательства есть.
Хотя это и не непосредственные наблюдения, анализ обширного объема информации о кандидате в черную дыру средней массы в системе Омега Центавра позволяет считать его одним из самых надежных.
Анализ 500 изображений звездного скопления, полученных в результате 20 лет наблюдений с космического телескопа Хаббла, позволил ученым установить скорость движения 1,4 миллиона звезд, входящих в него. В ходе исследования было выявлено семь объектов, демонстрирующих IMBH — их стремительное движение по сложным траекториям можно объяснить только воздействием компактного объекта, обладающего массой не менее 8200 солнечных.
Другая группа ученых исследовала еще одного известного кандидата в черные дыры средней массы, до сих пор не имеющего названия — объект, расположенный в скоплении GCIRS 13E. Объект расположен на расстоянии 27 000 световых лет от нашей планеты и всего в 0,1 светового года от Стрельца A – сверхмассивной черной дыры, находящейся в центре Млечного Пути.
Именно поэтому наличие IMBH в GCIRS 13E столь интересно: вероятнее всего, мы наблюдаем процесс «кормления» Стрельца A, формирующий его колоссальную массу.
В научной работе, которая опубликована в The Astrophysical Journal, для получения наиболее точных результатов были учтены данные, полученные в ходе наблюдений, проведенных в различных обсерваториях: Very Large Telescope (VLT), Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) и космического рентгеновского телескопа Chandra. На основании этих данных ученые определили траектории движения 50 звезд, что свидетельствует о наличии черной дыры средней массы в GCIRS 13E. Объект обладает массой, превышающей массу Солнца примерно в 30 000 раз, и окружен вытекающим потоком раскалённого газа.
Детальное исследование кандидатов в черные дыры средней массы даст возможность прояснить их происхождение и подтвердить или опровергнуть гипотезу об их существовании IMBH во Вселенной. В любом случае ученые получат больше информации о том, где искать недостающее звено в эволюции сверхмассивных черных дыр, без которых существование крупных галактик трудно вообразить. Более того, чем больше мы знаем о промежуточных черных дырах, тем полнее наше понимание космологии.