Обнаружение гигантской полости в центре галактики, вызванной ультрамассивной черной дырой

Недавние исследования, проведенные командой астрофизиков, позволили подтвердить наличие полости размером порядка килопарсека в распределении звезд в центральной галактике скопления A402. Данные, полученные с помощью телескопов Хаббл и Джеймса Уэбба, указывают на наличие сплюснутого галактического ядра, на фоне которого проявляется эта полость. Ученые предполагают, что в центре находится ультрамассивная черная дыра с массой около 50 миллиардов солнечных масс (M⊙), которая могла бы быть причиной образования данной полости.

В дополнение к этому, исследователи обнаружили второго кандидата на роль черной дыры с массой, находящейся по другую сторону полости, с относительной скоростью 370 км/с. Если данная гипотеза подтвердится, это будет означать существование бинарной системы из ультрамассивных черных дыр, разделенных несколькими килопарсеками, с общей массой 60 миллиардов M⊙. Это сделает ее самой массивной бинарной системой черных дыр, когда-либо обнаруженной.

По оценкам, пустота, которую наблюдают ученые, соответствует примерно 20 миллиардам M⊙ недостающих звезд в объеме 0,5 кпс³. Михаил МакДональд из MIT и его команда предполагают, что эта уникальная звёздная полость возникла в результате кратковременного динамического взаимодействия между как минимум одной супермассивной черной дырой и окружающим звездным полем. Это взаимодействие могло быть вызвано либо трехтелевым рассеянием во время уплотнения бинарной системы, либо индукцией дипольной нестабильности в звездном плотностном поле.

В центре самых массивных галактик во Вселенной, таких как гигантские эллиптические галактики, профили яркости уплощаются, формируя центральную область с постоянной поверхностной яркостью. Однако существование такого звездного ядра не предсказывается современными моделями формирования массивных галактик в рамках модели ΛCDM. Это указывает на то, что существует второй механизм, ответственный за удаление звезд из внутренних областей с высокой плотностью. Учитывая массу удаленных звезд, наиболее вероятной гипотезой является слияние пары супермассивных черных дыр.

Для того чтобы две супермассивные черные дыры могли слиться, им необходимо сначала потерять достаточно углового момента, чтобы уменьшить свою орбитальную дистанцию до уровня, позволяющего излучению гравитационных волн унести оставшуюся орбитальную энергию за время, меньшее возраста Вселенной. Хотя такие гравитационные волны от слияния бинарной системы супермассивных черных дыр еще не были обнаружены, недавние исследования, проведенные NANOGraV и другими группами, показали наличие фона стокастических гравитационных волн, возникающих в результате коллективного слияния бинарных черных дыр в галактических ядрах.

Системы с подобными большими и размытыми ядрами уже наблюдались в распределении звезд нескольких массивных галактик. Предполагается, что физический размер наблюдаемого ядра напрямую связан с массой черной дыры, которая, вероятно, его создала. Массу некоторых из самых массивных супермассивных черных дыр удалось оценить по размеру центральных областей, которые они выдолбили в световом профиле своих галактик-хозяев. Эта зависимость основывается на предположении, что ядро сформировалось в результате динамических взаимодействий между парой супермассивных черных дыр во время или после слияния.

Несмотря на значительные наблюдательные усилия по изучению ядер массивных галактик и теоретические попытки предсказать механизмы их формирования, данный модельный подход до сих пор слабо подтвержден прямыми наблюдениями. Единственным известным случаем, когда супермассивная черная дыра была непосредственно обнаружена как изменяющая распределение звезд, является NGC 5419, исследованный Б. Нойрайтером и др. в 2023 году.

МакДональд и его команда проанализировали наблюдения центральной галактики A402, которая находится в массивном скоплении галактик на красном смещении z = 0,322. Полость, которую они наблюдают с помощью телескопа Уэбба, была ранее отмечена А. Реппом и Х. Эбелингом в 2018 году на основе данных телескопа Хаббл и интерпретировалась как область пыли вблизи галактического центра. Однако благодаря данным, полученным с помощью имиджера Nircam телескопа Уэбба, исследователи предоставили убедительные доказательства того, что это на самом деле отсутствие звезд, что, вероятно, связано с динамическими взаимодействиями в результате слияния пары супермассивных черных дыр.

Помимо этой "звёздной полости", МакДональд и его коллеги обнаружили, что центральная галактика A402 имеет чрезвычайно обширное размытое ядро с радиусом разрыва 2,2 кпс, на фоне которого располагается полость. По их мнению, такое большое ядро, вероятно, сформировалось в результате прошедшего слияния супермассивных черных дыр, оставив остаток массой около 50 миллиардов M⊙. Эта "ультрамассивная" черная дыра находится на западном краю звёздной полости и выглядит как яркая точечная источника в среднем инфракрасном диапазоне, совпадающая с активным галактическим ядром, идентифицированным с помощью MUSE. На восточном краю полости астрофизики также находят доказательства наличия второго активного галактического ядра, основанные на сильном локализованном излучении [O iii]. Эти два активных ядра имеют относительную скорость 370 км/с, что позволяет исследователям вычислить общую массу бинарной системы.

МакДональд и его команда обоснованно предполагают, что звёздная полость формируется в результате непрерывного динамического взаимодействия звездного ядра с супермассивными черными дырами. Эта интерпретация поддерживается данными оптического и рентгеновского излучения о недавнем слиянии на галактическом уровне, а также наблюдением двух эмиссионных источников по обе стороны от полости, что соответствует массивной бинарной активной галактической системе. Размер полости и относительные скорости двух предполагаемых активных галактических ядер согласуются с установленными теориями, касающимися эрозии звездных ядер супермассивными (или ультрамассивными) черными дырами.

Эта система представляет собой модель для нового явления, которое следует искать в текущих и будущих наблюдениях. Обнаружение других подобных источников будет способствовать укреплению существующих предсказаний о многосигнальных сигнатурах для источников будущего детектора LISA, где временные масштабы и частота слияния остаются основными неопределенностями.

В будущем обширные обзоры, проводимые с помощью космических телескопов Euclid и Roman, а также архивные исследования Хаббла и Уэбба, вероятно, позволят выявить подобные системы, предоставляя оценку временных масштабов слияния супермассивных черных дыр на основе частоты наблюдения таких систем. Параллельно целенаправленное изучение этой уникальной системы с помощью самых мощных телескопов позволит более полно понять природу активного галактического ядра в этой системе и динамику звезд в области и вокруг полости.