Подтверждение существования убегающего сверхмассивного черной дыры благодаря ее супersonic ударной волне

Вопрос о наличии убегающих сверхмассивных черных дыр, образующихся в результате слияний галактик, волновал астрономов на протяжении долгого времени. В марте 2023 года космический телескоп Хаббл предоставил первые улики, указывающие на такую черную дыру, обнаружив длинный след из газа, подвергшегося шоку. Теперь команда, проводившая первоначальные наблюдения, использовала телескоп Джеймса Уэбба для дальнейшего изучения этого объекта. Полученные данные подтверждают, что он движется с супersonic скоростью через межгалактическое пространство, вызывая возмущение в разреженном газе и создавая ударную волну. Исследователи предполагают, что это, скорее всего, сверхмассивная черная дыра, выброшенная из своей родной галактики и движущаяся с высокой скоростью через межгалактическую среду. Результаты исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Объект, представляющий собой кандидата в убегающую черную дыру, был случайно обнаружен на изображении, полученном Хабблом. Его родительская галактика находится на красном смещении 0,964. На изображении была видна странная линейная структура, которая, по всей видимости, исходила от соседней галактики или направлялась к ней. Спектроскопия, проведенная после этого, показала, что структура может соответствовать сверхмассивной черной дыре, движущейся с супersonic скоростью и вызывающей удар в окружении галактики. Однако спектры не исключали других объяснений, таких как возможность того, что это может быть спиральная галактика без центрального выпуклости, наблюдаемая точно сбоку.

Для более детального изучения этого загадочного объекта длиной 62 кпк и исключения других гипотез, Питер Ван Доккум и его коллеги использовали спектроимиджер NIRSpec телескопа Уэбба, где каждый пиксель изображения содержит спектр, что позволяет астрономам сравнивать спектры объектов в различных физических точках.

Из-за эффекта Доплера свет будет смещен к более коротким длинам волн (синий сдвиг), если источник движется к нам, и к более длинным длинам волн (красный сдвиг), если источник удаляется. Чем быстрее движется источник, тем больше смещение длины волны. На краю структуры исследователи заметили, что скорость газа варьируется более чем на 600 км/с на расстоянии всего 1 килопарсек. Такой резкий градиент скорости на краю линейной структуры является характерным признаком супersonic ударной волны. Никакой другой эффект не мог бы вызвать столь радикальное изменение скорости газа на столь малой (с астрономической точки зрения) шкале. Интерпретация в терминах ударной волны подтверждается морфологией газа на краю следа и анализом соотношений интенсивностей линий [O III"]/Hα, "[N II"]/Hα, "[S II"]/Hα и "[S III"]/"[S II"]. Эти соотношения совместимы с быстрыми радиационными шоками и быстрым охлаждением, причем оптимальные скорости шока соответствуют предсказаниям, основанным на скорости черной дыры и геометрии шока.

Моделируя кинематику, ожидаемую для ударной волны, авторы предсказывают, как скорость должна варьироваться в различных спакселах. Ударная волна не движется идеально параллельно плоскости неба; она наклонена к нам под углом около 30 градусов. Таким образом, одна сторона ударной волны движется к нам (ближайший "лимб"), а другая удаляется от нас (дальний "лимб"). Угол ударной волны означает, что мы должны наблюдать множество синих смещений из ближайшего лимба и немного красных смещений из дальнего лимба.

Авторы моделируют удар и пытаются сопоставить наблюдаемую кинематику с их моделью. Они рассчитывают яркость двух эмиссионных линий в каждом спакселе, чтобы определить, где они находятся вдоль ударной волны и следа. Затем они вычисляют ожидаемую скорость на различных расстояниях вдоль шока и волны. Резкое увеличение отрицательных скоростей (синие смещения) к положительным скоростям (красные смещения) указывает, находимся ли мы на ближайшем или дальнем лимбе. Конец удара показывает, насколько хорошо их модель соответствует данным.

Когда черная дыра проходит через окружение галактики, она оставляет за собой тонкий след горячего газа. Со временем больше газа из среды смешивается со следом, что делает его устойчивой структурой. Постепенно газ остывает и становится достаточно плотным, чтобы образовать звезды в следе.

Измеряя количество света, излучаемого следом, Ван Доккум и его коллеги оценивают, что он содержит эквивалент 200 миллионов солнечных масс в звездах! Это число близко к общему количеству газа, которое может смешаться со следом в течение его жизни. Это может свидетельствовать о том, что условия в этом следе таковы, что образуется больше высокомассированных звезд, чем обычно ожидается. Высокомассированные звезды излучают гораздо больше света на единицу массы, что означает, что общая масса звезд может быть меньше, но все же производить такое же количество света, если звездное население включает много высокомассированных звезд.

Авторы делают простую оценку массы сверхмассивной черной дыры, используя закон сохранения энергии. Когда черная дыра проходит через среду, она нагревает газ, передавая часть своей кинетической энергии. Измеряя энергию, переданную среде в ударной волне и следе, авторы устанавливают нижнюю границу для массы черной дыры в 10 миллионов солнечных масс. Эта масса соответствует ожидаемой массе звезд в выпуклости родной галактики.

Что касается скорости ее убегания, она измерена с хорошей точностью и составляет 954 (±120) км/с, с углом наклона 29°. Существует два основных способа, по которым сверхмассивная черная дыра может быть выброшена из своей родной галактики: отскок, вызванный гравитационными волнами во время бинарного слияния, или взаимодействия в системе из трех тел. Когда два черные дыры схожей массы и противоположного вращения обращаются друг к другу, они излучают больше гравитационных волн в одном направлении, чем в другом. Ассиметрия создает силу отскока в противоположном направлении, что означает, что после слияния черная дыра может быть выброшена из галактики с очень высокой скоростью. Такую конфигурацию можно считать довольно редкой, но почти все слияния галактик в конечном итоге приводят к слиянию черных дыр, поэтому должна существовать популяция черных дыр, выброшенных из своих галактик в результате гравитационного отскока, также называемого "kick". В случае системы из трех тел, система, в которой три черные дыры вращаются вокруг друг друга, может оказаться достаточно нестабильной и привести к выбросу черной дыры с наименьшей массой из галактики.

Поскольку оценка массы в 10 миллионов солнечных масс хорошо согласуется с массой звезд в выпуклости галактики, Ван Доккум и его коллеги приходят к выводу, что маловероятно, что убегающая черная дыра является результатом выброса черной дыры с наименьшей массой из тройной системы. Скорее всего, это результат события отскока после слияния.

Несмотря на достигнутые успехи, некоторые вопросы по-прежнему остаются открытыми относительно этого уникального объекта. Особенно сложно окончательно доказать, что в этой структуре действительно находится черная дыра. Если она существует, то, вероятно, окружена гораздо большей оболочкой горячего газа, что делает ее прямое наблюдение невозможным. Однако для Ван Доккума и его коллег наблюдения хорошо соответствуют тому, что можно ожидать от убегающей сверхмассивной черной дыры, что делает это наиболее убедительным доказательством существования такой черной дыры на сегодняшний день. Ожидается, что в будущем будут получены дополнительные данные об этом удивительном объекте, что позволит глубже понять его природу.