Вивчення чорних дір середнього розміру, масою трохи менше мільйона сонячних мас, можливо, дасть ключ до розуміння того, як утворилися їхні більші побратими й галактики. Уже десять років минуло відтоді, як астрономи з’ясували, що в центрах майже всіх великих галактик містяться величезні чорні діри — космічні об’єкти з таким сильним гравітаційним полем, що навіть світло не може з них вирватися. На завершальній стадії своєї еволюції зорі можуть перетворюватися на невеликі чорні діри з масою, що перевищує масу нашого Сонця в 3-100 разів, але такі чорні діри зоряної маси — просто ліліпути порівняно з жахливими велетнями в центрах галактик, маса яких вимірюється мільйонами й мільярдами Сонць.

Вивчення надмасивних чорних дір — складна головоломка. Чому вони так поширені в галактиках? Що виникло раніше — галактика чи чорна діра? І насамперед: як вони утворилися?
Ще загадковіше те, що чорні діри з’явилися вже тоді, коли Всесвіт був іще дуже молодим. Так, у червні минулого року астрономи повідомили, що найраніший із досі виявлених екземплярів — чорна діра масою приблизно 2 млрд сонячних мас — існував ще 13 млрд років тому, лише через якихось 770 млн років після Великого вибуху. Як чорним дірам удалося так швидко набрати подібну масу?
Така велика швидкість зростання спантеличує, адже хоча чорні діри мають репутацію найпотужніших «пилососів», вони можуть поводитися як величезні повітродувки для очищення канав від листя. Газ, що прямує до чорної діри, зрештою закручується навколо неї у вигляді гігантського так званого акреційного диска. Речовина нагрівається й починає випромінювати, особливо коли наближається до точки неповернення біля внутрішнього краю диска. Це випромінювання відштовхує речовину, що падає на чорну діру, зменшуючи тим самим швидкість її зростання. Фізики обчислили, що маса чорної діри, яка безперервно «засмоктує» навколишню речовину з максимально можливою швидкістю, подвоюватиметься кожні 50 млн років. Така швидкість надто мала, щоб «зародкова» чорна діра зоряної маси змогла вирости в чудовисько завбільшки з мільярд Сонць менш ніж за мільярд років.
ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ
- Чорні діри з масою в мільярд разів більшою за масу нашого Сонця існували вже на ранніх етапах життя Всесвіту. Як ці монстри виросли такими величезними настільки швидко? Унаслідок яких процесів сформувалися зародкові чорні діри, з яких вони згодом виросли?
- Чи справді внаслідок передсмертної агонії перших зір з’явилися численні зародки чорних дір, які потім злилися воєдино, чи гігантські первинні газові хмари внаслідок колапсу, оминувши стадію зорі, сформували значно більші зародки?
- Астрономи намагаються розгадати цю загадку, шукаючи й аналізуючи зародки, що збереглися, — чорні діри-«середняки». Уже перші результати дають підстави вважати, що чорні діри проміжної маси утворилися шляхом прямого колапсу.
Астрофізики запропонували два можливі сценарії утворення чорних дір. Перший, який обговорюють уже багато років, передбачає, що на першому етапі гігантські чорні діри справді були залишками зір. Найперші зорі, що утворилися у Всесвіті, імовірно, були надзвичайно масивними порівняно з тими, що з’явилися пізніше, як-от наше Сонце. Це пов’язано з тим, що в первинних газових хмарах не було важких елементів, які сприяли б охолодженню газу й утворенню невеликих згустків. Такі величезні зорі мали швидко вигоріти й перетворитися на чорні діри з масою приблизно в 100 разів більшою за масу нашого Сонця. Але тоді якісь процеси мали спричинити прискорене зростання таких об’єктів — швидше, ніж за звичайної акреції. Наприклад, якби велика чорна діра утворилася в щільному зоряному скупченні, вона зрештою мала б опинитися поблизу його центру разом з іншими масивними зорями й чорними дірами. У такому разі вона мала б шанс швидко вирости до 10 тис. сонячних мас, поглинаючи інші чорні діри, і таким чином перевищити межу звичайної швидкості зростання.
Подальше зростання до надмасивного масштабу могло б тривати завдяки звичайній акреції, причому, звісно, аж ніяк не виключається й можливість поглинання нею інших достатньо великих чорних дір.
Основоположне питання
ЩО БУЛО ЗАРОДКАМИ НАДМАСИВНИХ ЧОРНИХ ДІР?
Величезні чорні діри масою понад мільярд Сонць з’явилися вже на дуже ранній стадії існування Всесвіту. Класичний погляд на процес формування чорних дір передбачає, що ці гіганти виникли як зародкові чорні діри, утворені внаслідок колапсу первісних зір. Але такі невеликі чорні діри не могли б набрати масу звичайним шляхом достатньо швидко, щоб перетворитися на надмасивні так рано (вгорі). Тому ключове питання таке: як могли сформуватися більші чорні діри-зародки (у центрі й унизу)?

Одне з пояснень полягає в тому, що велика чорна діра зоряної маси в зоряному скупченні могла б швидко вирости до 10 тис. сонячних мас, поглинаючи інші чорні діри. Така зародкова чорна діра проміжної маси потім могла б перетворитися на надмасивну, «ковтаючи» газ.
Альтернативний варіант: первинна газова хмара внаслідок колапсу могла безпосередньо сформувати зародкову чорну діру проміжної маси. Ця чорна діра згодом також могла зростати, «ковтаючи» газ.

Пошук чорних дір проміжної маси має на меті визначити, який зі сценаріїв реалізується
Коли астрономи з’ясували, що великі надмасивні чорні діри з’явилися дуже давно, вони зацікавилися, чи може масивна зоря, що сколапсувала, достатньо швидко наростити таку масу, навіть пройшовши на початку життя стадію надшвидкого зростання. Почалися пошуки альтернативних шляхів утворення зародкових чорних дір і механізмів формування чорних дір, масивніших за ті, що могли утворитися внаслідок передсмертної агонії зір.
Учені запропонували моделі утворення більших зародків чорних дір, які не потребують зір-посередників. Так, достатньо велика газова хмара могла б безпосередньо стиснутися до стану чорної діри, більшої за ті, що народжуються внаслідок смерті зорі. Формуючи зародки масою від 10 тис. до 100 тис. Сонць, цей процес дещо скорочує час утворення надмасивних чорних дір на ранніх етапах. Сьогодні такий прямий колапс у Всесвіті вже не відбувається, але коли Всесвіт був молодим, умови були зовсім іншими.
На жаль, поки що незрозуміло, який із цих двох сценаріїв реалізувався насправді: чи утворилися невеликі зародкові чорні діри внаслідок смерті зір, чи вони з’явилися на світ уже великими як продукт імплозії газової хмари. Хоча астрономи можуть зазирати далеко в минуле, вдивляючись у віддалені куточки космосу за допомогою телескопів, поки що не можна навіть сподіватися зафіксувати сам акт формування зародкових чорних дір. Навіть найбільші зародки надто малі, щоб їх можна було побачити на такій відстані. (Космічний телескоп ім. Джеймса Вебба міг би їх виявити, але його запустять не раніше 2018 р., та й то якщо він переживе політичні баталії довкола фінансування його будівництва.) Тому ми з колегами вибрали іншу стратегію: шукати зародкові чорні діри, які з тієї чи іншої причини не стали надмасивними, але збереглися дотепер у своїх початкових розмірах.
Якщо зародки утворилися внаслідок еволюції зір, то можна очікувати знайти їх досить багато як у центрі, так і на периферії галактик, адже зорі, з яких вони утворилися, могли померти в будь-якій точці галактики. Слід було також очікувати неперервного діапазону мас чорних дір від 100 до 100 тис. мас Сонця, оскільки зростання чорної діри могло припинитися через брак «їжі» на будь-якій стадії її перетворення на надмасивну. І навпаки, якби зародкові чорні діри утворювалися переважно шляхом прямого колапсу газової хмари, то такі «недорозвинені» чорні діри були б дуже рідкісними. Процес прямого колапсу, якби він і відбувався, траплявся б набагато рідше, ніж смерть звичайної зорі. І замість широкого діапазону мас ми виявили б, що більшість недорозвинених чорних дір «важчі» за 100 тис. Сонць (теоретичні моделі говорять, що це, найімовірніше, і є типова маса зародка, утвореного прямим колапсом).
Тому я, як і інші астрономи, досліджувала небо в пошуках нового типу чорних дір, масою більшою за зоряну, але ще не надмасивних, а десь посередині — так званих чорних дір проміжної маси, або «середньої вагової категорії». Ми прагнули з’ясувати, якій моделі більше відповідають діапазон їхніх розмірів і поширеність: зоряного колапсу чи колапсу газової хмари. Коли приблизно десять років тому ми почали цю роботу, вона не виглядала багатообіцяльною. Астрономи знали лише одну чорну діру середньої вагової категорії й вважали її винятком із загального правила. Відтоді, однак, ми знайшли їх сотні.
Що вважати середньою ваговою категорією? У цій статті під цим терміном я розумітиму чорну діру з масою орієнтовно від 1 тис. до 2 млн мас Сонця. Верхня межа певною мірою довільна, але вона дає змогу виключити найменші надмасивні чорні діри, зокрема таку добре відому, як чорна діра масою 4 млн сонячних мас у центрі нашої Галактики. У будь-якому разі за самою своєю природою ці межі розмиті. На практиці перші вимірювання мас таких об’єктів часто дають дуже невизначені результати: так, маси чорних дір-«середнячків», отримані в першій серії наших вимірювань, як виявилося, були завищені вдвічі. Це з’ясувалося після вдосконалення техніки вимірювань. Точні межі діапазону не відіграють особливої ролі, доки ми вивчаємо все сімейство чорних дір у напрямку зменшення маси, починаючи з діапазону легких надмасивних. Але навіть те, що нам удалося з’ясувати дотепер, дало змогу по-новому поглянути на взаємодію чорних дір і галактик, у яких вони розташовані.
Невловимі середнячки
Чорні діри можуть виявляти себе багатьма способами. Наприклад, зорі, що скупчилися на орбітах навколо самого центру галактики, — явна ознака надмасивної чорної діри, яка там ховається. Однак об’єкти-«середнячки» надто малі, щоб так само видати свою присутність за допомогою гравітації. Тому ми зосереджуємо увагу на «активних» чорних дірах — тих, що «пожирають» матерію, — оскільки гаряча речовина, яка падає на них, випромінює світло колосальної яскравості.
За кілька десятиліть спостережень астрономи виявили, що активні чорні діри зазвичай містяться в галактиках цілком певного типу. Галактики, особливо масивні, бувають двох основних типів. Деякі, як-от наша, являють собою великий зоряний диск, що обертається. Такі дискові галактики, якщо подивитися на них збоку, схожі на неглибокі тарілки. Інші, так звані еліптичні галактики, здебільшого виглядають як кулі із зір. У центрах деяких дискових галактик розташовані еліптичні галактики, які називають опуклостями, або зоряними балджами. Активні чорні діри найчастіше знаходять у великих еліптичних галактиках і в дискових галактиках із великими балджами. Майже кожен балдж, розташований достатньо близько, щоб можна було дослідити його деталі, виявляється прихистком чорної діри масою від кількох мільйонів до кількох мільярдів сонячних мас. Ба більше, що більший балдж, то більша чорна діра: її маса зазвичай становить одну тисячну маси балджа. Така разюча кореляція — сама собою загадкова — дає підстави вважати, що галактики й надмасивні чорні діри еволюціонували спільно, шляхом, якого астрофізики ще не з’ясували. Простіше кажучи, ця модель підказує, де шукати чорні діри-«середнячки»: у найменших галактиках. Але в яких саме?
Довідник
ДЕ МІСТЯТЬСЯ ЧОРНІ ДІРИ РІЗНИХ ТИПІВ
Галактики бувають різних типів, і деякі з них зазвичай містять надмасивні чорні діри. Наша галактика, Чумацький Шлях (ліворуч), — дискова, або спіральна, галактика з балджем (великим щільним скупченням зір), у центрі якої розташована надмасивна чорна діра масою 4 млн сонячних мас (блакитна). Чимало чорних дір зоряної маси (помаранчеві) виявлено й у самому Чумацькому Шляху. У ядрах усіх галактик із балджем і великих еліптичних галактик (у центрі), вочевидь, містяться надмасивні чорні діри. Натомість чорні діри проміжної маси (праворуч, жовті) поширеніші в галактиках без великих балджів, як-от дискові галактики без балджів. Чорні діри зоряної маси трапляються повсюдно в галактиках усіх типів. Класи чорних дір Відомі чорні діри поділяють на три класи залежно від їхньої маси, яку зазвичай вимірюють у сонячних масах, або «Сонцях».
Чорні діри зображено не в масштабі |
|
|
|
Ідею підказала одна невелика загадкова галактика. Керівник моєї дисертаційної роботи, Луїс Хо (Luis С. Но) з Обсерваторій Інституту Карнегі в Пасадені, ще в 1995 р., працюючи над дисертацією, дослідив понад 500 найближчих яскравих галактик. Він виявив, що більшість галактик із великими балджами містять активні чорні діри, а галактики без балджів — ні, за одним цікавим винятком. NGC 4395 — це дискова галактика з активною чорною дірою, яка зовсім не має балджа. Науковий керівник самого Хо відзначив цю дивину ще в 1989 р., але більшість учених погодилися, що це радше аномалія. Огляд Хо підтвердив загальне правило: чорних дір не виявляють у галактиках без балджів, за винятком NGC 4395.
Точна оцінка маси чорної діри NGC 4395 — завдання, що потребувало значних зусиль. Більшість астрономічних методів безпосереднього вимірювання передбачають вимірювання параметрів орбітального руху. Наприклад, швидкість планети й розмір орбіти, якою вона рухається навколо свого сонця, дають змогу обчислити масу цього сонця. Так само, знаючи параметри орбіт зір у галактиці, можна оцінити масу чорної діри, але лише якщо вона достатньо велика, щоб ефекти її гравітації були помітні під час астрономічних спостережень руху зір. Об’єкт NGC 4395 надто малий.
У таких випадках астрономи користуються непрямими методами. Наприклад, потужність рентгенівського випромінювання, що надходить від чорної діри, змінюється з часом, і що більший об’єкт, який випромінює, то повільніші ці зміни. У 2003 р. Девід Ші (David С. Shin) з колегами, який тоді працював у Кембриджському університеті, виявив, що потужність рентгенівського випромінювання від NGC 4395 змінюється достатньо швидко, а отже, чорна діра має бути відносно невеликою — найімовірніше, від 10 тис. до 100 тис. сонячних мас. У тому самому 2003 р. Хо іншим методом отримав оцінку її маси в тому самому діапазоні.
Вимірювання її маси ще одним методом у 2005 р. провели Бредлі Пітерсон (Bradley M. Peterson) із колегами з Університету штату Огайо. Вони скористалися космічним телескопом «Габбл» і методом, який дістав назву «ехокартування» (Відповідний російськомовний термін ще не усталився. Іноді його перекладають як «ревербераційне картографування». — Прим. пер.). В основі методу лежить вимірювання орбітального руху газових хмар навколо чорної діри, подібно до того, як для обчислення маси Сонця вимірюють параметри орбітального руху планет. Вимірювання часу світлового відлуння від хмар дає змогу обчислити діаметр орбіт. Пітерсон із колегами встановили, що чорна діра має масу 360 тис. сонячних мас. Але навіть такий метод дає велику невизначеність маси: похибка може сягати трикратного значення через початкові припущення, використані в розрахунках.
Виявляється, галактика без балджа NGC 4395 «прихистила» саме таку чорну діру проміжної маси, яку ми й шукали. З усіх 500 галактик, які вивчав Хо, вона виявилася єдиною без балджа та з явним свідченням присутності активної чорної діри. Другу виявили в 2002 р. Аарон Барт (Aaron J. Barth), який тоді працював у Каліфорнійському технологічному інституті, скористався телескопом «Кек II» на Гаваях, щоб отримати спектр незвичайної маловивченої галактики РОХ 52. Як і NGC 4395, ця галактика демонструвала низку ознак існування активної чорної діри, хоча й не входила до списку основних кандидатів на наявність надмасивної чорної діри (це рідкісний тип галактики, відомий як сфероїдальна галактика, що відрізняється і від дискових із балджем, і від еліптичних галактик).
Барт надіслав щойно отриманий спектр галактики РОХ 52 Хо, який, лише поглянувши на нього, одразу запитав Барта: «Де ти знайшов такий чудовий спектр NGC 4395?» Спектри двох різних космічних об’єктів виглядали настільки однаково, що Хо не зміг їх розрізнити. (Саме характерні ознаки в спектрі вказують на присутність чорної діри.)
Оскільки РОХ 52 розташована на відстані 300 млн світлових років (у 20 разів далі, ніж NGC 4395), масу її чорної діри астрономи оцінили ще хитромудрішими методами. Проте велика кількість даних свідчить, що ця галактика «приховала» чорну діру масою приблизно 100 тис. Сонць. Чорні діри «середньої вагової категорії» в галактиках без балджів тепер утворюють клас із двох об’єктів.
Звісно, щоб розв’язати складнішу проблему — як сформувалися зародки надмасивних чорних дір, — потрібно більше таких «середняків». Інакше важко відповісти на безліч елементарних питань. Наскільки типові чорні діри проміжної маси? Чи кожна галактика без балджа містить такий об’єкт, чи в більшості з них вони все ж відсутні? Чи є такі чорні діри проміжної маси десь іще? І чи чекає на нас у майбутньому знахідка ще менших екземплярів, ніж ці два? Лише відповівши на ці питання, ми, можливо, зможемо зрозуміти, як сформувалися зародки й яку роль вони відігравали в ранньому Всесвіті.
Полювання на чорні діри
На жаль, стандартні астрономічні методи погано пристосовані до пошуку чорних дір проміжної маси. Що більший такий об’єкт, то більше він може «проковтнути» й то яскравіше світитися. Невеликі чорні діри тьмяніші, а тому їх важко виявити. Але справу ускладнює ще одна обставина. Еліптичні галактики, у яких зазвичай містяться великі чорні діри, поводяться надзвичайно добре. У таких галактиках не дуже багато газу й не утворюються нові зорі, а отже, ми маємо чіткий і нічим не затуманений вид на центр галактики. Натомість у галактиках із переважанням дискової структури (саме в таких, як ми підозрюємо, можливо, зазвичай і ховаються чорні діри проміжної маси) часто народжуються зорі, і світло цих молодих зір, а також пов’язані з ними газ і пил можуть приховати активну чорну діру.
Уже виявлені «середнячки»
ПЕРШІ ФАКТИ НА КОРИСТЬ КОЛАПСУ, А НЕ ЗЛИТТЯ ЗІР
Аналіз 500 тис. зображень галактик в оптичному діапазоні виявив понад 100 чорних дір із масами, оціненими менш ніж у два мільйони сонячних мас (діаграма). Інші дослідження — у середньому інфрачервоному, рентгенівському й радіодіапазонах — виявили ще кількох кандидатів. Поки що є підстави вважати, що більшість галактик без балджів не містять у своїх ядрах чорних дір проміжної маси. Ці спостереження свідчать на користь сценарію формування зародкових чорних дір шляхом прямого колапсу. Якби зародки утворилися внаслідок колапсу зір, то можна було б очікувати виявлення значно більшої кількості невеликих чорних дір у діапазоні від 10 тис. до 1 млн сонячних мас.
Кількість чорних дір проміжної маси, виявлених за допомогою аналізу оптичних зображень

Щоб подолати такі перешкоди, у 2004 р. ми з Хо звернулися до безцінної бібліотеки даних, призначеної для пошуку голок у космічному стозі сіна, — Слоунівського цифрового огляду неба (Sloan Digital Sky Survey, SDSS). Із 2000 р. телескоп у штаті Нью-Мексико, який використовують у цьому проєкті, отримав зображення понад чверті небесної сфери й зареєстрував спектри мільйонів окремих зір і галактик.
Ми вивчили 200 тис. спектрів галактик і виявили 19 нових кандидатів, схожих на NGC 4395, — невеликих галактик, що містять активні чорні діри з масами, за нашою оцінкою, менш ніж 1 млн сонячних мас. Аналогічні дослідження протягом останніх кількох років, у яких використали новіші дані Слоунівського огляду, дали змогу розширити коло «підозрюваних» приблизно до трьох десятків чорних дір із масами менше мільйона сонячних і понад 100 із масами трохи вище цього порога.
Метод, використаний для оцінки мас, — непрямий. Слоунівські спектри показують нам величину швидкості гарячого газу, що обертається навколо чорної діри. Але це лише частина інформації, потрібної для обчислення маси самого об’єкта (друга половина — діаметр орбіти). Проте зі спостережень активних чорних дір із масами від мільйона до мільярда сонячних мас астрономи знають, як швидкість газу зазвичай співвідноситься з масою чорної діри (що менша маса, то повільніше рухається газ). Екстраполяція на чорні діри меншої маси дає нам змогу відшукати наших маленьких приятелів у даних SDSS.
Ці пошуки підтвердили наші здогади, засновані на дослідженні об’єктів NGC 4395 і РОХ 52: існує ширша популяція чорних дір проміжної маси. Очікуваним результатом було б виявлення цих об’єктів у галактиках без балджів. Проте такі чорні діри, вочевидь, усе ж дуже рідкісні. Лише одна з кожних 2 тис. галактик, достатньо яскравих, щоб потрапити до Слоунівського огляду, демонструє свідчення присутності активної чорної діри проміжної маси.
Однак дослідження в межах програми SDSS, можливо, дають змогу фіксувати далеко не всі чорні діри. Дослідження проводять винятково в оптичному діапазоні (діапазоні довжин хвиль, який бачить наше око), і не виключено, що пилові хмари надійно приховують від нас багато чорних дір. Щоб оминути цю перешкоду, астрономи досліджують випромінювання галактик на таких довжинах хвиль, які можуть майже безперешкодно пройти крізь пил: рентгенівське випромінювання, радіохвилі та середнє інфрачервоне випромінювання. Шобіта Сатьяпал (Shobita Satyapal) з Університету Джорджа Мейсона та її співробітники використали середнє інфрачервоне випромінювання для пошуку ознак прихованих активних чорних дір у галактиках без балджів. Екстремальне ультрафіолетове випромінювання речовини, що прямує до чорної діри, спричиняє іонізацію молекул у газовій хмарі, породжуючи незвичайні хімічні сполуки, як-от збуджені стани високоіонізованих атомів неону. Випромінювання цих іонів залишає характерні «відбитки пальців» у спектрах середнього інфрачервоного випромінювання. Такі пошуки дають результат у відносно невеликій кількості галактик: група Сатьяпал виявила лише кілька нових активних чорних дір-«середнячків». Астрономи знайшли ознаки чорної діри проміжної маси або надмасивної чорної діри, досліджуючи галактики в рентгенівському й радіодіапазонах, і додаткові спостереження для підтвердження цих кандидатів тривають.
Ці результати свідчать, що, шукаючи лише в оптичному діапазоні, ми можемо пропустити багато галактик без балджів, які приховують свої чорні діри-«середнячки» пиловими хмарами, але все ж не настільки багато, щоб такі чорні діри проміжної маси стали звичайним явищем. Вердикту ще немає, але, імовірно, лише від 5 до 25% галактик без балджів прихистили чорні діри проміжної маси, достатньо великі для виявлення.
Зростання галактик і чорних дір
Спостереження чорних дір проміжної маси в галактиках без балджів можуть пролити світло на зв’язок між більшими чорними дірами й великими балджами. Як я вже зазначала, надмасивні чорні діри в масивних галактиках із балджами зазвичай мають масу приблизно в одну тисячну маси балджа. Зростання надмасивних чорних дір, очевидно, тісно пов’язане зі зростанням навколишнього балджа. Якщо зв’язок між чорними дірами й галактиками під час формування балджа справді існує, то кореляції між властивостями галактик без балджів і розташованих у них чорних дір-«середнячків» бути не повинно.

Галактика NCC 4395 — дискова галактика без балджа — першою виявила ознаки наявності чорної діри проміжної маси у своєму ядрі
Найправдоподібніша теорія, що пояснює кореляцію, спостережувану в галактиках із балджами, стверджує таке: еліптичні галактики й великі балджі утворюються, коли зливаються дві дискові галактики. Під час злиття гравітаційні сили розхитують їх, і зорі рухаються вже не в площині диска, а орбітами, випадково розташованими всередині кулі (форма у вигляді еліпса або опуклості). Газові хмари під час злиття стикаються й виром прямують до центру балджа, запускаючи основний механізм зореутворення, який збільшує сумарну масу зір у балджі. Одночасно чорні діри обох галактик зливаються й засмоктують частину газу в центрі галактики. Завдяки таким великомасштабним процесам під час злиття галактик можуть відбуватися спільне зростання й еволюція великих балджів і надмасивних чорних дір. Коли маса чорної діри досягає тисячної частки маси балджа, на перший план виходять явища, що виштовхують газ із центру галактики й припиняють її бурхливе зростання.
Чорним дірам проміжної маси в галактиках без балджів, як-от NGC 4395, так і не довелося відчути радість такого галактичного бенкету. Натомість вони залишилися недорозвиненими зародками, що трохи підросли, лише зрідка «ласуючи» газом у центрі галактики: перекуска, безпосередньо не пов’язана з подіями, які визначали еволюційні процеси в галактиці. У деяких галактиках без балджів чорні діри, можливо, так і не змогли підрости. Така ситуація склалася в суто дисковій галактиці МЗЗ (за фізичними характеристиками багато в чому подібній до NGC 4395), яка, вочевидь, не містить чорної діри, масивнішої за 1,5 тис. Сонць. Кількість доказів на користь картини, що пов’язує зростання чорної діри з формуванням балджа, збільшується, але багато деталей ще потребують опрацювання, і справу поки не закрито остаточно.
Щодо питання, як утворюються чорні діри-зародки, то рідкісність чорних дір проміжної маси свідчить на користь теорії прямого колапсу газових хмар у ранньому Всесвіті. Якби зародки виникли внаслідок зоряного колапсу, слід було б очікувати, що в центрі майже кожної з цих галактик розташована чорна діра масою щонайменше 10 тис. Сонць. Але переважна більшість невеликих галактик без балджа, вочевидь, не має такої чорної діри у своєму центрі.
На користь сценарію прямого колапсу свідчать й інші факти. Зокрема, слабка кореляція мас чорних дір-«середнячків» із масами галактик, у яких вони розташовані, добре узгоджується з його передбаченнями. А створити чорну діру масою в мільярд Сонць значно легше, якщо самі зародки вже достатньо масивні.
Звісно, з надходженням нових даних нинішні висновки, імовірно, змінюватимуться. Наприклад, якби астрономи вдивлялися в дещо тьмяніші галактики, ніж ті, спектри яких вивчали у Слоунівському огляді, частка галактик із чорними дірами проміжної маси, можливо, зросла б. Або, навпаки, зменшилася. Можливо також, що в деяких галактиках чорні діри-«середнячки» розташовані не в центрах. Пошук чорних дір проміжної маси сьогодні триває в багатьох напрямках. Докладно про це написано на сайті Scientific American.
Поки що багато ключових питань щодо чорних дір проміжної маси залишаються відкритими. Чи справді такі чорні діри частіше трапляються в невеликих галактиках особливого типу? (Такий зв’язок міг би стати підставою для гіпотези, що існують інші способи взаємодії чорних дір і галактик, які їх містять, навіть на стадіях, що передують злиттю, унаслідок якого утворилися балджі й надмасивні чорні діри.) Чи справді в більшості галактик без балджів немає й чорних дір проміжного розміру, чи чорні діри там усе ж є, але їм трохи бракує маси, щоб ми могли їх виявити? Це справді так, якщо їхня маса становить приблизно 1 тис. сонячних мас. (Такі чорні діри, безсумнівно, виросли із залишків померлих зір, а не сформувалися шляхом прямого колапсу.) Чи, можливо, всі без винятку галактики без балджів містять масивні чорні діри — від 10 тис. до 100 тис. сонячних мас, — але більшість із них не має змоги живитися й тому не виявляє себе ні рентгенівським випромінюванням, ні світлом? (Це змусило б відмовитися від висновку, що чорні діри-«середнячки» рідкісні.) Залежно від отриманих відповідей астрофізичні теорії формування галактик і зародків чорних дір можуть просунутися в зовсім різних напрямках.
Переклад: А.П. Кузнецов
ПРО АВТОРКУ
Дженні Грін (Jenny E.Greene) була піонеркою у вивченні чорних дір невеликої маси в центрах галактик, що стало частиною її дисертації в Гарвардському університеті. Зараз вона доцентка астрономії в Принстонському університеті й досліджує загальні питання еволюції галактик. Вона також викладає алгебру ув’язненим у тюрмах штату Нью-Джерсі.
ДОДАТКОВА ЛІТЕРАТУРА
- A Low-Mass Central Black Hole In the Bulgeless Seyfert 1 Galaxy NGC 4395. Alexel V. Flllppenko and Luis С. Но in Astrophysical Journal, Vol. 588, No. 1, pages L13-L16; May 1, 2003.
- Active Galactic Nuclei with Candidate Intermediate-Mass Black Holes. Jenny E. Greene and Luis С. Но in Astrophysical Journal, Vol. 610. No. 2, pages 722-736; August 1, 2004.
- Nuclear Activity in Nearby Galaxies. Luis С. Но in Annual Review of Astronomy and Astrophysics, Vol. 46, pages 475-539; September 2008. http://arxiv.org/abs/0803.2268
- Formation of Supermassive Black Holes. Marta Volonteri in Astronomy and Astrophysics Review, Vol. 18, No. 3, pages 279-315; July 2010. http://arxiv.org/abs/1003.4404
- Supermassive Black Holes Do Not Correlate with Galaxy Disks or Pseudobulges. John Kormendy, R. Bender and M. E. Cornell in Nature, Vol. 469, pages 374-376; January 20, 2011.
- Big Black Hole Found in Tiny Galaxy. Jenny E. Greene in Nature, Vol. 470, pages 45-46; February 3, 2011.
Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.




Коментарі (1):
Здравствуйте! А каую геометрическую форму имеют черные дыры?