Телескоп Hubble обнаружил чёрную дыру промежуточной массы в шаровом звёздном скоплении

В шаровом звёздном скоплении Омега Центавра на расстоянии 17 тысяч световых лет среди нескольких миллионов его звёзд астрономы обнаружили несколько звёзд с аномально высокими скоростями. Их положения и траектории указывают на возможную массивную чёрную дыру в центре скопления. Масса такой дыры должна быть около 8200 масс Солнца, то есть чёрная дыра относится к классу «дыр промежуточной массы» — пока малоизвестных объектов между чёрными дырами звёздной массы и сверхмассивными ядрами галактик. Само скопление, возможно — это остаток карликовой галактики, которую несколько миллиардов лет назад «съел» Млечный Путь.

Большинство известных чёрных дыр распадаются на две категории: это или сверхмассивные объекты в центре крупных галактик (их массы составляют сотни тысяч и миллионы солнечных масс), или так называемые «чёрные дыры звёздной массы» — с массами до десятков масс Солнца. Посредине этого диапазона находится «щель», которую предположительно должны занимать «чёрные дыры промежуточной массы» — сотни или тысячи масс Солнца. Но кандидатов на такие объекты пока известно немного, и находят их в основном по косвенным признакам, например, по всплескам гравитационных волн. Зато они — недостающее звено в понимании эволюции чёрных дыр, поэтому астрономы пытаются восполнить этот пробел и находятся в их интенсивном поиске.

Такие объекты найти труднее по сравнению с двумя другими категориями чёрных дыр. Галактики, эволюционировавшие до размеров, подобных нашей, содержат намного более массивные дыры. Дыры промежуточной массы могли бы составлять ядро карликовых галактик, вроде галактик-спутников в Местной группе, но их гораздо сложнее наблюдать. На современном уровне техники на характерных расстояниях до ближайших спутников Млечного Пути точно измерить параметры движения звёзд вблизи их центра не получается — а это пока единственный прямой метод нахождения чёрных дыр. Но остаётся ещё одна возможность: такие карликовые галактики можно поискать ближе — в самом Млечном Пути. Это могут быть остатки небольших галактик, в своё время поглощённых нашей. Чёрные дыры в них в этом случае могут остаться «замороженными» — у них нет звёздного материала для роста, и они остаются на этапе эволюции на момент поглощения. Остатки поглощённых карликовых галактик можно наблюдать в виде шаровых скоплений, и они расположены уже на более благоприятных расстояниях для наблюдений по сравнению с ближайшими галактиками-соседями вроде Магеллановых облаков.

Астрономы использовали более пятисот снимков космического телескопа Hubble за двадцать лет наблюдений и обнаружили свидетельства чёрной дыры промежуточной массы в центре шарового звёздного скопления нашей Галактики с обозначением Омега Центавра. Из огромного массива данных по движению звёзд в скоплении они обнаружили семь аномально быстрых звёзд, расположенных близко к центру скопления. Собственное движение этих звёзд указывает на их притяжение небольшим и массивным объектом в центре скопления с массой, которая как раз попадает в диапазон чёрных дыр промежуточной массы (IMBH). Статья о возможной «промежуточной» чёрной дыре в скоплении в июле 2024 года вышла в Nature.

Шаровое скопление Омега Центавра можно увидеть невооружённым глазом и это один из популярных объектов глубокого космоса. Правда, его лучше разглядывать из южного полушария. Оно расположено прямо над плоскостью Млечного Пути и по размерам на небе сравнимо с диском полной Луны. Его описал в своём каталоге две тысячи лет назад Птолемей, но он считал, что это отдельная звезда. Как следует из обозначения, как одну звезду его воспринимали и в процессе создания звёздной номенклатуры Байера. В 1677 году Эдмунд Галлей отнёс объект к классу туманностей. В 1830-х годах Уильям Гершель первым описал ω Cent как шаровое скопление. Подробнее про него можно узнать в соответствующем разделе обзорной статьи о звёздных скоплениях (оно находится под номером 10 по убыванию яркости).

Скопление Омега Центавра состоит из 10 миллионов гравитационно связанных звёзд. Оно примерно в десять раз массивнее других известных шаровых скоплений: её масса сопоставима с массой какой-нибудь карликовой галактики. Возможно, оно действительно является остатком некоторой галактики, в своё время поглощённой Млечным Путём. В ядре такой галактики, как и множества других, могла находиться небольшая чёрная дыра. После поглощения такая чёрная дыра оказывается «замороженной»: слияние галактик уже произошло, и чёрной дыре дальше некуда расти за счёт слияния с подобными галактическими объектами. Поэтому такая дыра должна была сохраниться в своих исходных размерах, и стать недостающим звеном в изучении эволюции от чёрных дыр звёздной массы до галактических чёрных дыр. Для проверки этой гипотезы чёрную дыру в центре скопления осталось найти. Кластер Омега Центавра как расположенный недалеко остаток съеденной микрогалактики давно привлекает внимание астрономов, и чёрную дыру в нём «открывали» разными способами как минимум с 2008 года. Но самые прямые свидетельства, похоже, удалось получить только к 2024 году, когда накопились данные по собственному движению его звёзд.

По снимкам «Хаббла» астрономы создали каталог с данными о собственном движении и скоростях 1,4 миллионов звёзд скопления. Собственное движение звёзд удалось зафиксировать именно потому, что использовался материал за двадцать лет работы телескопа. Значительная часть этих наблюдений предназначалась не для самостоятельного использования, а для калибровки инструментов «Хаббла», но база данных оказалась полезной и для отдельных научных задач. Среди полутора миллионов звёзд выделялись семь звёзд с аномально высокими скоростями. Их скорости превышают скорость, необходимую для разрыва гравитационных связей в скоплении и выхода за его пределы (вторую космическую скорость, которая для этого скопления составляет 62 км/сек; например, вторая космическая скорость для Земли 11,2 км/сек, а третья для покидания Солнечной системы — 42 км/с). Самое вероятное объяснение — некоторый массивный объект держит эти звёзды вблизи центра скопления, разгоняя их до сверхвысоких скоростей. Этот центральный объект должен иметь массу по крайней мере 8200 масс Солнца. Но никаких видимых объектов, например, очень плотных кластеров звёзд с такой массой вблизи центра скопления не наблюдается, поэтому предположительно сверхмассивный объект — именно чёрная дыра промежуточной массы.

Возможны и другие гипотезы строения скопления — они предполагают наличие множества «обычных» чёрных дыр, то есть дыр звёздной массы (как подозревают, например, в другом шаровом скоплении NGC 6397 гораздо ближе к нам — подробнее см. в этой заметке). Но в таком сценарии в скоплении были бы менее вероятны сверхскоростные звёзды, которых, собственно, раньше там и не находили. Поэтому открытие нескольких таких объектов с аномальными скоростями свидетельствует скорее о том, что астрономы обнаружили именно объект IMBH, которых на сегодня известно всего несколько штук, и то без уверенного подтверждения.

Обнаруженная одна сверхскоростная звезда ещё не указывает именно на чёрную дыру поблизости. В таком случае нельзя сказать, звезда имеет аномальную скорость потому что её притягивает сверхмассивный объект (1), потому что она находится близко к центру (2) или просто потому, что она случайно пролетает рядом со скоплением (3). Но семь таких объектов с разными скоростями и направлением движения уже позволяют накопить статистику и отделить разные факторы. Аналогичным образом характеристики сверхмассивной чёрной дыры в центре Галактики изучают по движению нескольких десятков близких объектов — «квази-звёзд», которые условно называют объектами типа S и типа G (подробнее об этом можно прочитать в другой статье; см. также эту заметку). Статистический анализ позволил не только определить массу центрального массивного объекта, но и найти его положение в скоплении в пределах участка размером три световых месяца, или на снимках — трёх секунд дуги.

Если предположение о чёрной дыре этого типа подтвердится, то мы можем иметь очень массивную чёрную дыру на расстоянии всего 17700 световых лет — ближе, чем «главная» чёрная дыра в центре Млечного Пути на расстоянии 26 тысяч световых лет.