Блуждающих сверхмассивных черных дыр должно быть много

Рис. 1. Блуждающая черная дыра в линзовидной галактике GJ1417+52. Изображение получено космическим телескопом «Хаббл». Черная дыра и содержащая ее галактика находятся в маленьком квадрате в левом верхнем углу изображения. На левой врезке показано увеличенное изображение галактики GJ1417+52, кружочком обведена блуждающая черная дыра XJ1417+52. На правой врезке эта же галактика показана в рентгеновском диапазоне (изображение получено телескопом «Чандра»). На обеих врезках показан один участок неба, и хорошо видно, что блуждающая черная дыра затмевает в рентгене всю остальную галактику. Вызвано это тем, что дыра оказалась в области с большой плотностью вещества, которое, падая на нее, разогревается и излучает в разных частях электромагнитного спектра. Частично излучение происходит в оптическом диапазоне (благодаря чему эта дыра проявилась на снимке «Хаббла»), но его максимум приходится на рентген. Объект XJ1417+52 наблюдался «Чандрой» в 2000 и 2002 годах, а «Хабблом» — в 2004 году. В более поздних наблюдательных кампаниях ничего примечательного на этом месте видно уже не было. Фото с сайта chandra.harvard.edu

Черные дыры — одни из самых интересных объектов, изучаемых космологами и астрофизиками. Прямое наблюдение черных дыр осложняется тем, что они сами по себе не излучают и не отражают, — детектируемые на Земле сигналы от них исходят только при взаимодействии с чем-то еще: с аккрецирующим раскаленным газом (дающим мощные потоки электромагнитного излучения и заряженных частиц), с другой черной дырой (при слиянии порождаются гравитационные волны) или со светом, испущенным более далеким ярким источником (искривление лучей света приводит к гравитационному линзированию). Проще всего (хотя это все равно не очень просто) наблюдать за аккрецирующими сверхмассивными черными дырами в центрах галактик, где нет недостатка в газе, который можно поглотить: их много и они ярко светят. Но если даже достаточно массивная черная дыра оказалась за пределами галактического ядра (блуждает по галактике), то обнаружить ее гораздо сложнее. Тем не менее, примеры наблюдений таких дыр с массами порядка 10⁵ масс Солнца уже есть, а значит, ученым нужно уметь оценивать их количество и другие характеристики. Компьютерная симуляция, проведенная группой американских физиков, показала, что блуждающих черных дыр может быть гораздо больше, чем считалось раньше: суммарная масса таких «странников» в обычной галактике может в настоящее время составлять около 10% от массы ее центральной сверхмассивной черной дыры.

Сверхмассивными обычно называют черные дыры, масса которых превышает миллион масс Солнца (\(M_\odot\)). Они находятся в центрах большинства крупных галактик. В частности, есть такая черная дыра и в центре нашего Млечного пути — ее масса больше \(4\cdot10^6M_\odot\) (см. Стрелец А*).

Масса центральных черных дыр тем больше, чем массивнее галактика, а растут такие черные дыры преимущественно за счет поглощения галактического вещества, в основном представляющего собой межзвездный газ. При слиянии двух галактик более массивная, как правило, «обдирает» газ с более легкой, — и этот газ тоже становится сырьем для ее центральной черной дыры. Еще один важный механизм набора массы — слияние черной дыры с другими черными дырами.

Однако массивные черные дыры могут оказываться не только в центрах своих галактик. Во-первых, если в процессе формирования галактики где-то образовалось достаточно тяжелое локальное сгущение газа, то черная дыра может сформироваться прямо из него. Расти она, конечно, будет медленнее центральной черной дыры (поскольку в центре галактики плотность газа наибольшая), но за большой срок при удачном стечении обстоятельств вполне может накопить десятки или сотни тысяч \(M_\odot\). Во-вторых, во время слияния двух галактик центральная черная дыра одной из них может по воле случая оказаться не в центре результирующей галактики, а где-то на ее окраинах. Такие черные дыры — массивные и находящиеся вдалеке от центра своей галактики — называют блуждающими. То, что они существуют, доказано наблюдениями: на рис. 1 показана удаленная от нас примерно на 4,5 млрд световых лет галактика GJ1417+52, близко к краю которой был обнаружен точечный объект с сильным рентгеновским излучением. При помощи телескопа «Хаббл» этот объект удалось связать с оптическим источником, а по свойствам излучения астрономы заключили, что это черная дыра с массой порядка \(10^5M_\odot\) (D. Lin et al., 2016. Discovery of the Candidate Off-nuclear Ultrasoft Hyper-luminous X-ray Source 3XMM J141711.1+522541). Любопытно, что, похоже, тут астрономам очень повезло: излучение от этой дыры наблюдалось с 2000 по 2004 год, а вот в более поздних наблюдениях он уже не проявлял себя.

Поскольку в среднем темп поглощения вещества блуждающей черной дырой гораздо ниже, чем у центральной, то и излучать она должна гораздо меньше — как в среднем, так и на пике. Из-за этого поиск таких дыр затруднен. Поэтому важно найти способ предсказывать количество блуждающих черных дыр в галактике, не связанный с их непосредственным наблюдением.

Группа американских физиков использовала программный пакет Romulus (см. M. Tremmel et al., 2018. Wandering Supermassive Black Holes in Milky-Way-mass Halos) для симуляции эволюции галактик и их скоплений, и в частности, процесса роста и движения черных дыр в них. Romulus численно решает систему уравнений Эйнштейна, определяющих эволюцию вещества, взаимодействующего с гравитационным полем.

«Скопление галактик», развитие которого изучали обсуждаемой работе, представляло собой кубический объем пространства с длиной стороны 25 мегапарсек, заполненный материей, полная масса которой равна \(10^{14}M_\odot\) (для сравнения, масса Млечного Пути составляет приблизительно \(1{,}5\cdot10^{12}M_\odot\)). Обычное вещество и темная материя, являющаяся неотъемлемой составляющей почти каждой реальной галактики, моделировались с помощью «частиц», масса которых равнялась \(2{,}12\cdot10^{5}M_\odot\) и \(3{,}39\cdot10^{5}M_\odot\)), соответственно (то, что эти «частицы» во много раз тяжелее Солнца, не должно смущать: в астрофизических модельных расчетах такие допущения делаются часто, например, при моделировании эволюции Вселенной даже скопления галактик считаются «частицами» слабо взаимодействующего газа). В распределении плотности вещества в «скоплении» задавались неоднородности, которые естественным образом возникают в результате космологической эволюции. В более плотные области ученые «сажали» черные дыры с массой \(10^{6}M_\odot\), дальнейшая эволюция которых затем изучалась (это означает, кстати, что выводы исследователей относительно числа блуждающих черных дыр применимы только к сверхмассивным черным дырам, а не ко всем, — черные дыры звездных масс слишком легкие, чтобы проявить себя в такой симуляции).

Оказалось, что существенная часть «первичных» блуждающих черных дыр со временем сливается с центральной черной дырой и, таким образом, не становится полноценными «странниками». Масса заложенного в модель вещества примерно в 100 раз больше массы нашей Галактики. Этого хватает, чтобы в симуляциях получались галактики разных размеров и масс. Моделирование показало, что число блуждающих черных дыр растет примерно линейно с массой галактики (рис. 2).

Рис. 2. Результаты моделирования эволюции блуждающих черных дыр в галактиках разной массы. Слева — галактика массой \(2\cdot10^{13}M_\odot\), в которой оказалась 241 блуждающая черная дыра. В середине — галактика массой \(2\cdot10^{12}M_\odot\), 15 блуждающих черных дыр. Справа — галактика массой \(2\cdot10^{11}M_\odot\), две блуждающие черные дыры. Рисунки из обсуждаемой статьи в MNRAS

Общее число блуждающих сверхмассивных черных дыр во всем смоделированном скоплении составило 1613. Их суммарная масса составила около 10% от суммарной массы центральных черных дыр, которые очень быстро набирали массу за счет слияния с другими черными дырами, а также из-за падающего на них вещества. В окрестностях блуждающих черных дыр запасов вещества для их роста сравнительно мало, поэтому их итоговая масса обычно не превышала удвоенной «затравочной» массы, с которой черные дыры начинали эволюцию в модели.

Если распространить результаты моделирования для галактик разных масс на наш Млечный Путь, получится, что в нем должно быть около 12 таких объектов.

Исследователи рассмотрели также эволюцию аналогичного объема вещества при более высоких плотностях, которые соответствовали условиям в ранней Вселенной. Выяснилось, что если бы формирование аналогичного скопления галактик происходило всего через 2 миллиарда лет после Большого взрыва (напомним, что возраст Вселенной составляет приблизительно 13,8 миллиарда лет), то суммарная масса блуждающих черных дыр даже превысила бы массу центральных черных дыр (поскольку те еще не успели достаточно вырасти).

В дальнейшем ученые собираются более подробно изучить наблюдательные эффекты, вызванные присутствием большого числа неучтенных черных дыр, чтобы проверить правильность предсказаний, основанных на компьютерном моделировании. Знать точное распределение массы по различным классам объектов очень важно, так как оно напрямую связано с деталями эволюции Вселенной и, соответственно, с самыми фундаментальными законами физики.

Источник: Angelo Ricarte, Michael Tremmel, Priyamvada Natarajan, Charlotte Zimmer, Thomas Quinn. Origins and demographics of wandering black holes // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2021. DOI: 10.1093/mnras/stab866.

Андрей Фельдман