У зоряному скупченні Омега Центавра знайдена велика чорна діра • Сергій Попов • Новини науки на "Елементи" • Астрономічна наукова картинка дня

У зоряному скупченні Омега Центавра знайдена велика чорна діра

Мал. 1. Розподіл щільності в зоряному скупченні Омега Центавра. По горизонтальній осі відкладено відстань від центру скупчення в кутових одиницях (секундах дуги); по вертикальній – щільність в масах сонця на кубічний парсек (масштаб логарифмічний). Нижня крива відповідає розподілу зірок – речовини, що світиться. Верхня відображає внесок темної складової маси. Ця крива отримана за результатами вивчення розподілу швидкостей зірок в центральній частині скупчення. Істотна різниця між двома кривими говорить про те, що в центрі скупчення є невидима маса. Видно, що щільність темного компонента досягає в самих внутрішніх областях декількох мільйонів мас Сонця в кубічному парсек. Мал. з обговорюваної статті Noyola E. et al., arXiv: 0801.2782

За спостереженнями на космічному телескопі "Хаббл" і наземному телескопі «Джеміні» отримані серйозні вказівки на те, що в зоряному скупченні Омега Центавра знаходиться чорна діра з масою близько 30 000-50 000 мас Сонця. Це, по-перше, підтверджує, що Омега Центавра – не звичайне кульове скупчення нашої Галактики, а залишок карликової галактики, захопленої нашої.По-друге, маса відкритої чорної діри прекрасно вкладається у відому залежність цієї величини від маси сферичної складової в галактиках, дозволяючи продовжити цю кореляцію в область невеликих (по галактичним мірками) мас. Раніше до настільки малих мас не дотягує.

Мал. 2. Скупчення Омега Центавра (NGC 5139)

Омега Центавра (ω Centauri), або NGC 5139, – гігантське зоряне скупчення з масою близько 5 мільйонів сонячних. За формою воно схоже на кульове, однак детальний аналіз його властивостей давно змусив учених засумніватися в тому, що ми просто маємо справу з найбільшим кульовим скупченням нашої Галактики. Вважають, що Омега Центавра – це невелика галактика, захоплена нашої близько 10 мільярдів років тому і «обідрана», тобто ми бачимо лише щільне ядро, а зовнішні зоряні оболонки карликової галактики були зруйновані приливними силами і зірки з них увійшли до складу нашої Галактики.

На таке походження вказують багато властивостей Омеги Центавра, наприклад різноманітний зоряний склад, який вимагає декількох епізодів зореутворення (у кульових скупчень зірки мають приблизно однаковий вік і хімічний склад, хоча зовсім недавно і у звичайних «шаровиків» стали виявляти деяку різноманітність зіркових населений).

Омега Центавра – не єдине скупчення, для якого припускають, що в минулому воно було самостійною галактикою. Крім того, зараз ми бачимо процес поглинання карликової галактики в сузір'ї Стрільця (кульове скупчення М54 може бути ядром цієї галактики). Проте Омега Центавра – найбільше з таких скупчень, і його вивчення представляє особливий інтерес.

Якщо це скупчення колись було самостійною галактикою, то цілком можна запідозрити, що в його центрі знаходиться масивна чорна діра, оскільки сучасні дані говорять нам, що кожна галактика з масивним балджем (сферичної складової; від англ. bulge «опуклість, здуття») має чорну діру. Чим масивніше балдж, тим масивніше чорна діра.

Автори статті провели детальне дослідження розподілу зоряної густини в скупченні, а також швидкостей зірок. Справа в тому, що наявність великої центральної маси приводить до невеликого піку – Каспій (від англ. cusp «пік, виступ») – в розподілі зірок, а крім того, масивний об'єкт буде змушувати зірки обертатися швидше – тобто зросте дисперсія швидкостей в самій центральній області скупчення (на жаль,вимірювати швидкості окремих зірок в скупченні важко через їх високою просторовою щільності, тому визначають дисперсію).

На рис. 1 на початку статті показані два розподілу щільності в скупченні. Нижня крива відповідає розподілу зірок – речовини, що світиться (грубо кажучи, підрахували число зірок в одиниці об'єму та таким чином оцінили масу). Верхня крива відображає внесок темної (невидимої) складової маси. Ця крива отримана за результатами вивчення розподілу швидкостей зірок в центральній частині скупчення. Адже швидкості зірок не залежать від того, світиться яке притягує їх речовина чи ні. Дисперсія швидкостей зірок визначається за спектром. Досліджуються спектральні лінії, які зміщуються через ефект Доплера. Вимірюючи дисперсію швидкостей зірок на різній відстані від центру скупчення, можна побудувати профіль розподілу маси в ньому.

Істотна різниця між двома кривими свідчить про те, що в центрі скупчення є невидима маса. Темна складова домінує лише в центрі, що говорить про те, що маса її невелика в порівнянні з повною зоряної масою скупчення, а також про те,що невидима речовина сильно сконцентровано в центральній частині.

Отже, з малюнка видно, що щось темне «сидить» в центральній частині скупчення. Що це може бути? Звичайно, це може бути одна масивна чорна діра. Але, може бути, є якісь альтернативи? Наприклад, це може бути скупчення 10 000 зоряних залишків (нейтронних зірок або чорних дір). Аналіз такої можливості за допомогою чисельних моделей показує, що подібна структура не могла утворитися в Омезі Центавра. Значить, ми маємо справу з однією чорною дірою.

Нагадаю, що спостерігається два типи чорних дір: зоряних мас і надмасивні. Перші утворюються після колапсу масивних зірок. Відповідно, маси таких чорних дір лежать в межах від одиниць до декількох десятків мас Сонця. Другі знаходяться в центрах безлічі галактик (див. Огляд). Надмасивні чорні діри набирають свою масу за рахунок акреції газу і темної матерії, а також за рахунок злиттів з іншими центральними чорними дірами, коли відбувається злиття галактик. Якщо галактика досить масивна, то чорна діра може вирости до декількох мільярдів мас Сонця.Однак у вирішенні питання про зростання маси надмасивних чорних дір ще багато неясностей (див., Наприклад, статті 0705.2269 і astro-ph / 0506040). Крім того, астрофізики говорять і про чорні діри проміжних мас. По-перше, про це йдеться під час обговорення так званих Ультрапотужні рентгенівських джерел. По-друге, чорні діри проміжних мас запідозрено у двох кульових скупчень. У разі Омеги Центавра ми, швидше за все, маємо справу з родичкою надмасивних чорних дір. Тобто механізм утворення чорної діри був таким же, як і у її «родичів» в центрах галактик. Такий механізм не повинен працювати для звичайних кульових скупчень, оскільки історія їх формування і життя інша.

Мал. 3. Залежність маси центральної чорної діри від дисперсії швидкостей в балджа галактики або в центральній області скупчення. Маса чорної діри відкладена по вертикальній осі (масштаб логарифмічний, маси виражені в масах Сонця). Дисперсія швидкостей зірок – по горизонтальній (теж в логарифмічному масштабі, в км / с). Велика дисперсія швидкостей відповідає великій масі сферичної складової. Мал. з обговорюваної статті Noyola E. et al., arXiv: 0801.2782

На рис.3 показана відома залежність між масами чорних дір і дисперсією швидкостей зірок.

Дисперсія визначається з спектральних спостережень. Для визначення мас чорних дірок існує кілька способів, що дають досить хороші оцінки (невизначеності показані «вусами» у точок). Наприклад, метод ревербераційного картування або цікавий спосіб, пов'язаний з детальним вивченням властивостей диска навколо чорної діри за даними про лінзування. Але розмова про всі методи визначення мас надмасивних чорних дір повів би нас далеко в сторону.

Крім галактик на графік нанесені також точки для двох кульових скупчень і для Омеги Центавра. Видно, що точки для чорних дір в скупченнях і в галактиках лежать приблизно на одній прямій. Тобто «сімейний портрет» чорних дір підтверджує їх «спорідненість».

Безумовно, дані, отримані авторами статті, будуть перевірятися і уточнюватися. Справа в тому, що аналіз швидкостей зірок в настільки щільному скупченні – справа непроста. Проте результати виглядають дуже надійними.

Було б цікаво побачити якусь активність чорної діри, наприклад в рентгенівському або інфрачервоному діапазонах.«Наша» чорна діра, будучи дуже спокійним монстром, проте видає себе своєю активністю. Правда, маса чорної діри в Омезі Центавра в сто разів менше маси чорної діри в центрі нашої Галактики, і, крім того, в цьому скупченні менше газу, який міг би аккреціровать на чорну діру. Так що наглядові прояви щойновідкрита діри будуть, швидше за все, слабкіше – не дарма ж за всі роки досліджень Омеги Центавра ніяких проявів «монстра» не помітили. Але оскільки з'явився мотив для більш глибокого пошуку, щось подібне, можливо, вдасться відкрити і в Омезі Центавра. Адже тепер почнеться справжнє полювання на дивовижного звіра.

джерело: 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.

Сергій Попов


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: