В звездном скоплении Омега Центавра обнаружена массивная черная дыра

Рис. 1. Распределение плотности в звездном скоплении Омега Центавра. По горизонтальной оси отложено расстояние от центра скопления в угловых единицах (секундах дуги); по вертикальной — плотность в массах солнца на кубический парсек (масштаб логарифмический). Нижняя кривая соответствует распределению звезд — светящегося вещества. Верхняя отражает вклад темной составляющей массы. Эта кривая получена по результатам изучения распределения скоростей звезд в центральной части скопления. Существенная разница между двумя кривыми говорит о том, что в центре скопления есть невидимая масса. Видно, что плотность темного компонента достигает в самых внутренних областях нескольких миллионов масс Солнца в кубическом парсеке. Рис. из обсуждаемой статьи Noyola E. et al., arXiv:0801.2782

По наблюдениям на космическом телескопе «Хаббл» и наземном телескопе «Джемини» получены серьезные указания на то, что в звездном скоплении Омега Центавра находится черная дыра с массой около 30 000–50 000 масс Солнца. Это, во-первых, подтверждает, что Омега Центавра — не обычное шаровое скопление нашей Галактики, а остаток карликовой галактики, захваченной нашей. Во-вторых, масса открытой черной дыры прекрасно укладывается в известную зависимость этой величины от массы сферической составляющей в галактиках, позволяя продлить эту корреляцию в область небольших (по галактическим меркам) масс. Раньше до столь малых масс не дотягивались.

Рис. 2. Скопление Омега Центавра (NGC 5139)

Омега Центавра (ω Centauri), или NGC 5139, — гигантское звездное скопление с массой около 5 миллионов солнечных. По форме оно похоже на шаровое, однако детальный анализ его свойств давно заставил ученых усомниться в том, что мы просто имеем дело с самым большим шаровым скоплением нашей Галактики. Полагают, что Омега Центавра — это небольшая галактика, захваченная нашей около 10 миллиардов лет назад и «ободранная», то есть мы видим лишь плотное ядро, а внешние звездные оболочки карликовой галактики были разрушены приливными силами и звезды из них вошли в состав нашей Галактики.

На такое происхождение указывают многие свойства Омеги Центавра, например разнообразный звездный состав, который требует нескольких эпизодов звездообразования (у шаровых скоплений звезды имеют примерно одинаковый возраст и химический состав, хотя совсем недавно и у обычных «шаровиков» стали обнаруживать некоторое разнообразие звездных населений).

Омега Центавра — не единственное скопление, для которого предполагают, что в прошлом оно было самостоятельной галактикой. Кроме того, сейчас мы видим процесс поглощения карликовой галактики в созвездии Стрельца (шаровое скопление М54 может быть ядром этой галактики). Тем не менее Омега Центавра — самое крупное из таких скоплений, и его изучение представляет особый интерес.

Если это скопление когда-то было самостоятельной галактикой, то вполне можно заподозрить, что в его центре находится массивная черная дыра, поскольку современные данные говорят нам, что каждая галактика с массивным балджем (сферической составляющей; от англ. bulge «выпуклость, вздутие») имеет черную дыру. Чем массивнее балдж, тем массивнее черная дыра.

Авторы статьи провели детальное исследование распределения звездной плотности в скоплении, а также скоростей звезд. Дело в том, что наличие большой центральной массы приводит к небольшому пику — каспу (от англ. cusp «пик, выступ») — в распределении звезд, а кроме того, массивный объект будет заставлять звезды вращаться быстрее — то есть возрастет дисперсия скоростей в самой центральной области скопления (к сожалению, измерять скорости отдельных звезд в скоплении трудно из-за их высокой пространственной плотности, поэтому определяют дисперсию).

На рис. 1 в начале статьи показаны два распределения плотности в скоплении. Нижняя кривая соответствует распределению звезд — светящегося вещества (грубо говоря, подсчитали число звезд в единице объема и таким образом оценили массу). Верхняя кривая отражает вклад темной (невидимой) составляющей массы. Эта кривая получена по результатам изучения распределения скоростей звезд в центральной части скопления. Ведь скорости звезд не зависят от того, светится притягивающее их вещество или нет. Дисперсия скоростей звезд определяется по спектру. Исследуются спектральные линии, которые смещаются из-за эффекта Доплера. Измеряя дисперсию скоростей звезд на разном расстоянии от центра скопления, можно построить профиль распределения массы в нём.

Существенная разница между двумя кривыми свидетельствует о том, что в центре скопления есть невидимая масса. Темная составляющая доминирует только в центре, что говорит о том, что масса ее невелика по сравнению с полной звездной массой скопления, а также о том, что невидимое вещество сильно сконцентрировано в центральной части.

Итак, из рисунка видно, что что-то темное «сидит» в центральной части скопления. Что это может быть? Конечно, это может быть одна массивная черная дыра. Но, может быть, есть какие-то альтернативы? Например, это может быть скопление 10 000 звездных остатков (нейтронных звезд или черных дыр). Анализ такой возможности с помощью численных моделей показывает, что подобная структура не могла образоваться в Омеге Центавра. Значит, мы имеем дело с одной черной дырой.

Напомню, что наблюдается два типа черных дыр: звездных масс и сверхмассивные. Первые образуются после коллапса массивных звезд. Соответственно, массы таких черных дыр лежат в пределах от единиц до нескольких десятков масс Солнца. Вторые находятся в центрах множества галактик (см. обзор). Сверхмассивные черные дыры набирают свою массу за счет аккреции газа и темной материи, а также за счет слияний с другими центральными черными дырами, когда происходит слияние галактик. Если галактика достаточно массивна, то черная дыра может вырасти до нескольких миллиардов масс Солнца. Однако в решении вопроса о росте массы сверхмассивных черных дыр еще много неясностей (см., например, статьи 0705.2269 и astro-ph/0506040). Кроме того, астрофизики говорят и о черных дырах промежуточных масс. Во-первых, об этом идет речь при обсуждении так называемых ультрамощных рентгеновских источников. Во-вторых, черные дыры промежуточных масс заподозрены у двух шаровых скоплений. В случае Омеги Центавра мы, скорее всего, имеем дело с родственницей сверхмассивных черных дыр. То есть механизм образования черной дыры был таким же, как и у ее «родственников» в центрах галактик. Такой механизм не должен работать для обычных шаровых скоплений, поскольку история их формирования и жизни иная.

Рис. 3. Зависимость массы центральной черной дыры от дисперсии скоростей в балдже галактики или в центральной области скопления. Масса черной дыры отложена по вертикальной оси (масштаб логарифмический, массы выражены в массах Солнца). Дисперсия скоростей звезд — по горизонтальной (тоже в логарифмическом масштабе, в км/с). Большая дисперсия скоростей соответствует большой массе сферической составляющей. Рис. из обсуждаемой статьи Noyola E. et al., arXiv:0801.2782

На рис. 3 показана известная зависимость между массами черных дыр и дисперсией скоростей звезд.

Дисперсия определяется из спектральных наблюдений. Для определения масс черных дыр существует несколько способов, дающих достаточно хорошие оценки (неопределенности показаны «усами» у точек). Например, метод реверберационного картирования или интереснейший способ, связанный с детальным изучением свойств диска вокруг черной дыры по данным о линзировании. Но разговор о всех методах определения масс сверхмассивных черных дыр увел бы нас далеко в сторону.

Кроме галактик на график нанесены также точки для двух шаровых скоплений и для Омеги Центавра. Видно, что точки для черных дыр в скоплениях и в галактиках лежат примерно на одной прямой. То есть «семейный портрет» черных дыр подтверждает их «родство».

Безусловно, данные, полученные авторами статьи, будут проверяться и уточняться. Дело в том, что анализ скоростей звезд в столь плотном скоплении — дело непростое. Тем не менее результаты выглядят очень надежными.

Было бы интересно увидеть какую-то активность черной дыры, например в рентгеновском или инфракрасном диапазонах. «Наша» черная дыра, являясь очень спокойным монстром, тем не менее выдает себя своей активностью. Правда, масса черной дыры в Омеге Центавра в сто раз меньше массы черной дыры в центре нашей Галактики, и, кроме того, в этом скоплении меньше газа, который мог бы аккрецировать на черную дыру. Так что наблюдательные проявления свежеоткрытой дыры будут, скорее всего, слабее — не зря же за все годы исследований Омеги Центавра никаких проявлений «монстра» не заметили. Но поскольку появился мотив для более глубокого поиска, что-то подобное, может быть, удастся открыть и в Омеге Центавра. Ведь теперь начнется настоящая охота на диковинного зверя.

Источник: Eva Noyola, Karl Gebhardt, Marcel Bergmann. Gemini and Hubble Space Telescope Evidence for an Intermediate Mass Black Hole in omega Centauri // astro-ph, 17 Jan 2008; arXiv:0801.2782.

Сергей Попов