Сверхмассивная черная дыра Млечного Пути, масса которой составляет четыре миллиона солнечных, довольно мала для галактики такого размера. Мы потеряли оригинал?
Ключевые выводы
- В то время как во многих галактиках размером с Млечный Путь есть сверхмассивные черные дыры, масса которых составляет сто миллионов солнечных и более, наша весит всего 4 миллиона Солнц.
- В то же время у нас есть очень убедительные доказательства того, что Млечный Путь не был новичком, а ему более 13 миллиардов лет: почти так же древне, как и сама Вселенная.
- Наша сверхмассивная черная дыра может оказаться второй в своем роде: она выросла только после того, как оригинал был выброшен. Это дикая идея, но наука еще может подтвердить ее.
В сердце Млечного Пути скрывается сверхмассивный бегемот. Сформировавшаяся за миллиарды лет из комбинации сливающихся черных дыр и падающей материи, которая их выращивает, сейчас находится гигантская черная дыра, которая весит четыре миллиона солнечных масс. Это самая большая черная дыра во всей галактике, и нам пришлось бы путешествовать за миллионы световых лет, чтобы найти более массивную. Со своего места в галактическом центре Стрелец А обладает самым большим горизонтом событий среди всех черных дыр, которые мы можем наблюдать из нашего текущего положения в космосе.
И все же, несмотря на то, насколько большой, массивной и впечатляющей является эта центральная черная дыра, это только по сравнению с другими черными дырами в нашей галактике. Когда мы смотрим на другие крупные, массивные галактики, сравнимые по размеру с Млечным Путем, мы на самом деле обнаруживаем, что наша сверхмассивная черная дыра находится на довольно маленькой стороне с малой массой. Хотя вполне возможно, что мы просто немного ниже среднего в отделе черных дыр, есть еще одно потенциальное объяснение: возможно, Млечный Путь когда-то имел в своем ядре более крупную, действительно сверхмассивную черную дыру, но она была полностью выброшена давным-давно. То, что осталось, может быть не чем иным, как незавершенным проектом восстановления в центре Млечного Пути. Вот наука о том, почему мы должны серьезно задуматься о том, что наша центральная сверхмассивная черная дыра может не быть исходной в нашей галактике.
Этот 20-летний таймлапс звезд вблизи центра нашей галактики взят из ESO, опубликованного в 2018 году. Обратите внимание, как разрешение и чувствительность деталей становятся более четкими и улучшаются к концу, когда все они находятся на орбите. центральная (невидимая) сверхмассивная черная дыра нашей галактики. Считается, что практически каждая крупная галактика, даже в ранние времена, содержит сверхмассивную черную дыру, но только та, что в центре Млечного Пути, находится достаточно близко, чтобы увидеть движение отдельных звезд вокруг нее и тем самым точно определить черную дыру. масса дыры.
Когда мы смотрим на соседние галактики, мы обнаруживаем, что они бывают самых разных размеров, масс и форм. Что касается спиральных галактик, Млечный Путь довольно типичен для крупных современных спиралей, в которых насчитывается примерно 400 миллиардов звезд, диаметр чуть превышает 100 000 световых лет, а популяция звезд насчитывает более 13 лет. миллиардов лет: сразу после Большого Взрыва.
В то время как самые большие черные дыры из всех, часто превышающие миллиарды или даже десятки миллиардов солнечных масс, находятся в подавляющем большинстве в самых массивных известных нам галактиках - гигантских эллиптических галактиках - другие сопоставимые спирали обычно имеют более крупные, более массивные черные дыры, чем наши. Например:
- Галактика Сомбреро, имеющая около 30% диаметра Млечного Пути, имеет черную дыру с массой около 1 миллиарда солнечных масс.
- Андромеда, ближайшая к Млечному Пути крупная галактика и лишь несколько крупнее, имеет черную дыру массой около 230 миллионов солнечных.
- NGC 5548 с активным ядром, но яркими спиральными рукавами имеет массу около 70 миллионов солнечных масс, что сравнимо с массой ближайших спиралей Мессье 81, а также Мессье 58.
- И даже Мессье 82, намного меньший по массе, чем наш собственный Млечный Путь (и взаимодействующий сосед Мессье 81), имеет черную дыру массой 30 миллионов солнечных.
На этом многоволновом изображении двух крупнейших и ярчайших галактик в группе M81 видны звезды, плазма и нейтральный газообразный водород. Газовый мост, соединяющий эти две галактики, падает на обоих членов, вызывая образование новых звезд. Обе галактики меньше и имеют меньшую массу, чем Млечный Путь, но в обеих находятся гораздо более массивные сверхмассивные черные дыры, чем у нас.
На самом деле, из всех известных спиральных или эллиптических галактик, в которых есть сверхмассивные черные дыры, Млечный Путь является наименее массивной из известных. Кроме того, лишь в нескольких существенных галактиках есть сверхмассивные черные дыры, которые находятся на том же уровне, что и Стрелец A в центре Млечного Пути. Несколько спиралей, все меньше Млечного Пути, такие как Мессье 61, NGC 7469, Мессье 108 и NGC 3783, содержат черные дыры массой от 5 до 30 миллионов солнечных. Это одни из самых маленьких известных сверхмассивных черных дыр, и, хотя они больше нашей, они, по крайней мере, сравнимы с 4,3 миллионами центральной черной дыры Млечного Пути.
Почему это так? На самом деле есть только два варианта.
- Первый вариант заключается в том, что существует очень много галактик, и они имеют огромный диапазон масс черных дыр, которые они могут получить. Мы видим только те, которые легче всего увидеть, и они будут самыми массивными. Там может быть много более низкой массы, и это тот тип, который у нас есть.
- Второй вариант, однако, заключается в том, что мы на самом деле намного ниже среднего космического значения с точки зрения массы нашей сверхмассивной черной дыры, и есть физическая причина, связанная с эволюцией нашей галактики… что объясняет его.
На этой диаграмме показаны относительные размеры горизонтов событий двух сверхмассивных черных дыр, вращающихся вокруг друг друга в системе OJ 287. Более крупная, около 18 миллиардов солнечных масс, в 12 раз превышает размер орбиты Нептуна; меньшее, 150 миллионов солнечных масс, примерно равно размеру орбиты астероида Церера вокруг Солнца. Существует очень мало галактик, намного меньших нашей, в которых есть сверхмассивная черная дыра массой «всего» около 4 миллионов солнечных.
Мы, конечно, все еще изучаем, как формируются, растут и развиваются сверхмассивные черные дыры во Вселенной. Мы все еще пытаемся выяснить все этапы того, как, когда галактики сливаются, их сверхмассивные черные дыры могут успешно вдохновляться и сливаться в достаточно короткие промежутки времени, чтобы соответствовать тому, что мы наблюдаем. Совсем недавно мы обнаружили первый объект в процессе перехода от галактики к квазару, что является важным шагом в эволюции сверхмассивных черных дыр. И, наблюдая за самыми ранними галактиками и квазарами, мы обнаружили, что эти сверхмассивные черные дыры могут расти удивительно быстро: достигая массы примерно в 1 миллиард солнечных масс всего за первые 700 миллионов лет космической эволюции.
В теории история их формирования проста.
- Самые ранние звезды очень массивны по сравнению с большинством звезд, формирующихся сегодня, и многие из них образуют черные дыры массой в десятки, сотни или, возможно, даже в 1000 и более масс Солнца.
- Эти черные дыры не будут просто питаться газом, пылью и другим присутствующим веществом, но опустятся к центру галактики и сольются вместе в космически короткие промежутки времени.
- По мере образования дополнительных звезд все больше и больше материи «направляется» в галактический центр, увеличивая эти черные дыры еще больше.
- И когда межгалактический материал скапливается на галактике, а также когда галактики сливаются вместе, это обычно приводит к неистовому питанию черной дыры, увеличивая ее массу еще более существенно.
Если вы начнете с исходной черной дыры, когда Вселенной было всего 100 миллионов лет, существует предел скорости, с которой она может расти: предел Эддингтона. Либо эти черные дыры изначально крупнее, чем предполагают наши теории, либо формируются раньше, чем мы понимаем, либо они растут быстрее, чем наше нынешнее понимание позволяет достичь наблюдаемых значений массы. Изучение гибридов квазара и галактики может дать ключ к разгадке этой тайны.
Конечно, мы не знаем наверняка, насколько правдива эта история. У нас очень мало высококачественных наблюдений родительских галактик и их черных дыр в те ранние эпохи, и даже они дают нам лишь несколько конкретных снимков. Если космический телескоп Хаббла и обсерватории того времени показали нам, как выглядит Вселенная, справедливо будет сказать, что главная научная цель космического телескопа Джеймса Уэбба будет заключаться в том, чтобы научить нас тому, как росла Вселенная. Совместно с большими оптическими и инфракрасными наземными обсерваториями, а также гигантскими радиорешетками, такими как ALMA, у нас будет много возможностей подтвердить, уточнить или опровергнуть нашу нынешнюю картину формирования и роста сверхмассивных черных дыр.
Что касается нашего Млечного Пути, у нас есть довольно веские доказательства того, что за последние ~11 миллиардов лет нашей космической истории произошло по крайней мере пять значительных галактических слияний: перерастет в был уже прочно установлен. К тому моменту космической истории, исходя из того, как растут галактики, мы должны были ожидать сверхмассивную черную дыру, масса которой была бы, по крайней мере, в диапазоне десятков миллионов масс Солнца. Мы ожидаем, что с течением времени черная дыра станет только больше.
Реконструирована история слияния Млечного Пути, а также звездная масса, добавленная к нашей галактике, и количество шаровых скоплений, возникающих в результате каждого слияния. Эта реконструкция, однако, имеет существенные неопределенности, как показано на кривых, связанных с каждым событием слияния. Например, последнее исследование, основанное на субгигантских звездах, а не на шаровых скоплениях (как показано здесь), предполагает, что слияние Геи и Энцелада может быть даже раньше, чем слияние Кракена.
И все же сегодня, примерно через 11 миллиардов лет, наша сверхмассивная черная дыра имеет массу всего 4,3 миллиона масс Солнца: менее 2% массы сверхмассивной черной дыры Андромеды. Этого достаточно, чтобы задаться вопросом: «Что именно произошло (или не произошло) с нами, что привело к тому, что наша центральная черная дыра стала такой относительно маленькой?»
Стоит подчеркнуть, что вполне возможно, что Млечный Путь и наша центральная черная дыра могут быть просто земными. Что, возможно, ничего примечательного не произошло, и мы просто можем провести достаточно хорошие наблюдения, находясь в непосредственной близости от Стрельца А, чтобы точно определить его массу. Возможно, многие из этих центральных черных дыр, которые мы считаем такими массивными, могут оказаться меньше, чем мы думаем с помощью наших нынешних технологий.
Но есть космический урок, который всегда стоит помнить: в любой момент, когда мы смотрим на объект во Вселенной, мы можем видеть только те черты, свидетельства которых сохранились до настоящего времени. Это относится и к нашей Солнечной системе, в которой в далеком прошлом могло быть больше планет, и к нашей галактике, в которой давным-давно тоже могла быть намного более массивная черная дыра в центре.
Солнечная система, несмотря на огромную разницу в масштабах по сравнению с галактикой, на самом деле является отличной аналогией. Теперь, когда мы обнаружили более 5000 экзопланет, мы знаем, что конфигурация нашей Солнечной системы - все внутренние планеты маленькие и скалистые, а все внешние - большие и газообразные - не соответствует тому, что наиболее распространено во Вселенной.. Вполне вероятно, что в какой-то момент существовал пятый газовый гигант, который был выброшен, и что миграция газовых гигантов очистила все ранние планеты, которые присутствовали в молодой Солнечной системе.
Возможно, причина, по которой у нас есть Меркурий, Венера, Земля и Марс, заключается в том, что большая часть материала для формирования планет уже была израсходована во внутренней части Солнечной системы к тому времени, когда появились их семена, и это было настолько велико, насколько природа позволила им получить после того раннего события «расчистки».
Ну, также вероятно, что Млечный Путь сформировал сверхмассивную черную дыру так же, как мы полагаем, что это произошло с большинством галактик, и что в какой-то момент у нас была довольно большая черная дыра по сравнению с тем, что мы видим сегодня. Что могло случиться? Событие, связанное с большим количеством гравитации, такое как слияние другой галактики или достаточно сильный «удар» от близлежащего гравитационно-волнового события, могло его выбросить.
Chandra и другие телескопы показали, что галактика CID-42, вероятно, содержит массивную черную дыру, выбрасываемую со скоростью несколько миллионов миль в час. Основная панель представляет собой широкопольное оптическое изображение CID-42 и области вокруг него. Обведенный блок представляет собой более локализованное представление CID-42, которое показано в трех отдельных блоках в правой части рисунка. На изображении с «Чандры» (верхняя рамка) видно, что рентгеновское излучение сконцентрировано в одном источнике, соответствующем одному из двух источников, наблюдаемых в ходе глубоких наблюдений Хаббла (средняя рамка).
«Подождите, - можете возразить вы, - есть ли доказательства того, что сверхмассивные черные дыры действительно выбрасываются из галактик?»
Я рад, что вы спросили, потому что еще десять лет назад их не было. Но еще в 2012 году астрономы изучали систему, известную как CID-42, в галактике, удаленной примерно на 4 миллиарда световых лет. Ранее наблюдения Хаббла выявили два отдельных компактных источника, которые можно было наблюдать в видимом свете: один в центре галактики и один смещен от центра.
Продолжая исследования рентгеновской обсерватории НАСА «Чандра», мы обнаружили, что существует яркий источник рентгеновского излучения, согласующийся с нагревом по крайней мере одной сверхмассивной черной дыры. Используя камеру с самым высоким разрешением на борту «Чандры», они обнаружили, что рентгеновские лучи исходят только от одной черной дыры, а не от двух. Но по отношению друг к другу последующие оптические данные показали, что эти два источника удаляются друг от друга со скоростью около 5 миллионов километров в час (~ 3 миллиона миль в час): значительно превышает скорость убегания для галактика такой массы. Как сказала доктор Франческа Чивано, руководитель исследования, еще в 2012 году:
«Трудно поверить, что сверхмассивная черная дыра, масса которой в миллионы раз превышает массу Солнца, вообще могла двигаться, не говоря уже о том, чтобы быть выброшенной из галактики с огромной скоростью. Но эти новые данные подтверждают идею о том, что гравитационные волны - рябь в ткани пространства, впервые предсказанная Альбертом Эйнштейном, но так и не обнаруженная напрямую, - могут проявлять чрезвычайно мощную силу».
Моделирование слияния черных дыр GW200129, показывающее прецессию плоскости орбиты и ожидаемый гравитационный сигнал. После слияния последняя черная дыра отбрасывается вниз.
Недавно, несмотря на то, что на момент написания этой статьи науке гравитационно-волновой астрономии всего около 5 лет, мы получили наблюдательное подтверждение того, что такие «удары» черной дыры гравитационными волнами не являются особенно редко вообще. Опубликованное 12 мая 2022 года исследование под руководством доктора Виджая Вармы показало, что обнаруженное в 2020 году слияние черных дыр - GW200129 - привело к тому, что черная дыра с наибольшим количеством слияний благодаря относительным свойствам черных дыр-прародителей получила чрезвычайно быстрый «пинок» около 1500 км/с. Для сравнения, вам нужно двигаться примерно на одну треть этой скорости, чтобы избежать гравитационного притяжения Млечного Пути.
Теперь мы видели быстро движущиеся черные дыры как со звездной массой, так и со сверхмассивными разновидностями. Мы также видели, как слияния могут передавать эти удары черным дырам, особенно когда гравитационные волны генерируются преимущественно в одном направлении, что возникает, когда черные дыры имеют неравные массы или спины и большие прецессии.
Соединяя эти кусочки, вполне логично, что одно из слияний Млечного Пути за последние ~11 миллиардов лет привело к выбросу его первоначальной центральной сверхмассивной черной дыры. То, что осталось сегодня, может быть просто результатом того, что оно смогло отрасти за время, прошедшее с тех пор.
Это первое изображение Sgr A, сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Это первое прямое визуальное свидетельство присутствия этой черной дыры. Он был захвачен Телескопом горизонта событий (EHT), массивом, который соединил восемь существующих радиообсерваторий по всей планете, чтобы сформировать единый виртуальный телескоп «размером с Землю». Его измеренная масса в 4,3 миллиона солнечных масс ставит его в число самых маленьких сверхмассивных черных дыр из всех, и он обладает энтропией ~ 10 ^ 91 кБ, или примерно в 1000 раз больше энтропии, чем содержится в наблюдаемой Вселенной около 13.8 миллиардов лет назад.
Невозможно переоценить, каким замечательным достижением является то, что коллаборация Event Horizon Telescope наконец-то получила изображение сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути: Стрелец A. Это подтвердило с точностью более 95%, по крайней мере, одну вещь, которую мы уже знали из измерений движения звезд в окрестностях галактического центра: что существует объект, масса которого составляет впечатляющие 4,3 миллиона масс Солнца. Тем не менее, каким бы большим ни было это значение, оно чрезвычайно низкое для сверхмассивной черной дыры.
Во всех известных галактиках, сравнимых по размеру с Млечным Путем, нет другой, в которой есть сверхмассивная черная дыра такой малой массы, как наша. Хотя еще так много предстоит узнать о черных дырах, в том числе о том, как они формируются, растут и эволюционируют вместе с принимающими их галактиками, одно мучительно правдоподобное объяснение состоит в том, что крупный выброс черной дыры произошел относительно поздно в игре здесь, в наша родная галактика. Несмотря на то, что все, что у нас осталось, - это выжившие, а давно выброшенный гигант теперь может находиться в десятках миллионов световых лет от нас, вполне возможно, что это один из аспектов нашей космической истории, который когда-нибудь окажется в пределах нашей досягаемости.