На этой иллюстрации показан светящийся поток материала от звезды, разорванный в клочья, когда его пожирала сверхмассивная черная дыра. Кормящая черная дыра окружена кольцом пыли, в отличие от тарелки малыша, окруженной крошками после еды. Предоставлено: НАСА / Лаборатория реактивного движения-Калтех.
Анализируя наблюдения рентгеновской вспышки и согласовывая данные с теоретическими моделями, астрономы из Университета Аризоны задокументировали фатальную встречу между несчастливой звездой и звездой промежуточной массы. черная дыра.
Хотя между черными дырами и детьми ясельного возраста, кажется, не так много общего, они удивительно похожи в одном аспекте: оба едят грязно, что дает множество доказательств того, что еда уже была.
Но в то время как один может оставить после себя крошку макарон или брызги йогурта, другой создает последствия ошеломляющих размеров. Когда черная дыра поглощает звезду, это вызывает то, что астрономы называют «приливным разрушением». Разрушение несчастной звезды сопровождается вспышкой излучения, которое может затмить объединенный свет каждой звезды в галактике, в которой находится черная дыра, на месяцы, даже годы.
В статье, опубликованной в The Astrophysical Journalгруппа астрономов во главе с Сиксанг Вен, научным сотрудником обсерватории Стюарда Университета Аризоны, использует рентгеновские лучи, испускаемые в результате приливного срыва, известного как J2150, для первых измерений как массы, так и вращения черной дыры. Эта черная дыра относится к особому типу - черной дыре промежуточной массы - которая долгое время ускользала от наблюдения.
«Тот факт, что мы смогли поймать эту черную дыру, когда она пожирала звезду, дает замечательную возможность наблюдать то, что в противном случае было бы невидимым», - сказала Энн Заблудофф, профессор астрономии УАризоны и соавтор статьи. «Мало того, анализируя вспышку, мы смогли лучше понять эту неуловимую категорию черных дыр, которая вполне может составлять большинство черных дыр в центрах галактик».
Повторно проанализировав рентгеновские данные, использованные для наблюдения вспышки J2150, и сравнив их со сложными теоретическими моделями, авторы показали, что эта вспышка действительно возникла в результате столкновения несчастливой звезды и черной дыры промежуточной массы. Рассматриваемая промежуточная черная дыра имеет особенно низкую массу - то есть для черной дыры - весит примерно в 10,000 XNUMX раз больше массы Солнца.
«Рентгеновское излучение внутреннего диска, образованного обломками мертвой звезды, позволило нам определить массу и вращение этой черной дыры и классифицировать ее как промежуточную черную дыру», - сказал Вен.
Когда звезда приближается слишком близко к черной дыре, гравитационные силы создают интенсивные приливы, которые разбивают звезду на поток газа, что приводит к катаклизму, известному как событие приливного разрушения. Высвобождается огромное количество энергии, в некоторых случаях вызывая приливные сбои, затмевающие галактику. Предоставлено: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА / Крис Смит (USRA / GESTAR)
Десятки приливных срывов наблюдались в центрах больших галактик, содержащих сверхмассивные черные дыры, и небольшое количество наблюдалось также в центрах небольших галактик, которые могли содержать промежуточные черные дыры. Однако прошлые данные никогда не были достаточно подробными, чтобы доказать, что отдельная вспышка приливного разрушения была вызвана промежуточной черной дырой.
«Благодаря современным астрономическим наблюдениям мы знаем, что центры почти всех галактик по размеру схожи с нашими или больше их. Млечный Путь в центре находятся сверхмассивные черные дыры », - сказал соавтор исследования Николас Стоун, старший преподаватель Еврейского университета в Иерусалиме. «Эти чудовища имеют размер от 1 миллиона до 10 миллиардов раз больше массы нашего Солнца, и они становятся мощными источниками электромагнитного излучения, когда слишком много межзвездного газа попадает в их окрестности».
Масса этих черных дыр тесно коррелирует с полной массой их родительских галактик; самые большие галактики содержат самые большие сверхмассивные черные дыры.
«Мы все еще очень мало знаем о существовании черных дыр в центрах галактик размером меньше Млечного Пути», - сказал соавтор Питер Йонкер из Университета Радбауд и Нидерландского института космических исследований SRON, расположенных в Нидерландах. «Из-за ограничений наблюдений сложно обнаружить центральные черные дыры, масса которых намного меньше 1 миллиона солнечных масс».
По словам Джонкера, несмотря на предполагаемое их изобилие, происхождение сверхмассивных черных дыр остается неизвестным, и в настоящее время существует множество различных теорий, которые пытаются их объяснить. Черные дыры средней массы могут быть семенами, из которых вырастают сверхмассивные черные дыры.
«Следовательно, если мы получим лучшее представление о том, сколько существует настоящих промежуточных черных дыр, это может помочь определить, какие теории образования сверхмассивных черных дыр верны», - сказал он.
Еще более захватывающим, по словам Заблудова, является измерение вращения J2150, которое группа смогла получить. Измерение спина дает ключ к пониманию того, как растут черные дыры, и, возможно, к физике элементарных частиц.
Заблудофф объяснил, что эта черная дыра имеет быстрое вращение, но не самое быстрое из возможных, задавая вопрос о том, как черная дыра имеет спин в этом диапазоне.
«Возможно, черная дыра образовалась таким образом и с тех пор не сильно изменилась, или две черные дыры промежуточной массы недавно слились, чтобы сформировать эту», - сказала она. «Мы действительно знаем, что измеренное нами вращение исключает сценарии, в которых черная дыра растет в течение длительного времени из-за постоянного поедания газа или из-за множества быстрых газовых закусок, которые прибывают со случайных направлений».
Кроме того, измерение спина позволяет астрофизикам проверять гипотезы о природе темной материи, которая, как считается, составляет большую часть материи во Вселенной. Темная материя может состоять из неизвестных элементарных частиц, еще не обнаруженных в лабораторных экспериментах. Среди кандидатов есть гипотетические частицы, известные как сверхлегкие бозоны, объяснил Стоун.
«Если эти частицы существуют и имеют массы в определенном диапазоне, они предотвратят быстрое вращение черной дыры промежуточной массы», - сказал он. «Тем не менее, черная дыра J2150 быстро вращается. Итак, наше измерение спина исключает широкий класс теорий сверхлегких бозонов, демонстрируя ценность черных дыр как внеземных лабораторий для физики элементарных частиц ».
Авторы надеются, что в будущем новые наблюдения за вспышками приливных срывов могут позволить астрономам заполнить пробелы в распределении масс черных дыр.
«Если окажется, что большинство карликовых галактик содержат черные дыры промежуточной массы, то они будут доминировать в скорости звездных приливных разрушений», - сказал Стоун. «Подгоняя рентгеновское излучение от этих вспышек к теоретическим моделям, мы можем провести перепись населения черных дыр промежуточных масс во Вселенной», - добавил Вен.
Однако для этого необходимо наблюдать больше приливных срывов. Вот почему астрономы возлагают большие надежды на новые телескопы, которые скоро появятся как на Земле, так и в космосе, в том числе обсерваторию Веры К. Рубин, также известной как Legacy Survey of Space and Time, или LSST, которая, как ожидается, откроет тысячи приливных волн. аварийные события в год.
Ссылка: «Ограничения массы, вращения и сверхлегкого бозона из черной дыры промежуточной массы в приливном разрушении 3XMM J215022.4–055108» Сиксанг Вен, Питер Дж. Джонкер, Николас К. Стоун и Энн И. Заблудофф, 6 Сентябрь 2021 г., The Astrophysical Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac00b5
Работа поддержана грантами НАСА и Американо-израильский двухсторонний научный фонд.
