Гиперкомпактная звездная система

Гиперкомпактная звездная система ( HCSS ) — это плотное скопление звезд вокруг сверхмассивной черной дыры , выброшенной из центра своей галактики . Звезды, находящиеся близко к черной дыре во время выброса, останутся связанными с черной дырой после того, как она покинет галактику, образуя HCSS.

Термин «гиперкомпактный» относится к тому факту, что HCSS имеют малые размеры по сравнению с обычными звездными скоплениями аналогичной светимости . Это происходит потому, что гравитационная сила сверхмассивной черной дыры заставляет звезды двигаться по очень узким орбитам вокруг центра скопления.

Яркий рентгеновский источник SDSS 1113 вблизи галактики Маркарян 177 был бы первым кандидатом на HCSS. Обнаружение HCSS подтвердило бы теорию гравитационной отдачи и доказало бы, что сверхмассивные черные дыры могут существовать вне галактик.

Характеристики

Астрономы полагают, что сверхмассивные черные дыры (СМЧД) могут быть выброшены из центров галактик гравитационной волной отдачи. Это происходит, когда две СМЧД в двойной системе сливаются, потеряв энергию в форме гравитационных волн . Поскольку гравитационные волны не излучаются изотропно , некоторый импульс передается сливающимся черным дырам, и они чувствуют отдачу или «толчок» в момент слияния. Компьютерное моделирование показывает, что толчок может достигать 10 ⁴ км/с, ^[1] что превышает скорость выхода из центров даже самых массивных галактик. ^[2]

Звезды, вращающиеся вокруг сверхмассивной черной дыры в момент толчка, будут увлекаться сверхмассивной черной дырой, если их орбитальная скорость превысит скорость толчка $V k$ . Это то, что определяет размер HCSS: его радиус примерно равен радиусу орбиты, которая имеет ту же скорость вокруг сверхмассивной черной дыры, что и скорость толчка, или

R={\frac {GM}{V_{k}^{2}}}

где $M$ — масса сверхмассивной черной дыры, а $G$ — гравитационная постоянная . Размер $R$ оказывается примерно равным половине парсека (пк) (два световых года ) для толчка в 1000 км/с и массы сверхмассивной черной дыры в 100 миллионов солнечных масс . Самые большие HCSS будут иметь размеры около 20 пк, примерно такие же, как у большого шарового скопления , а самые маленькие будут иметь размер около одной тысячной парсека в поперечнике, меньше любого известного звездного скопления. ^[3]

Число звезд, которые остаются связанными с СМЧД после толчка, зависит как от $V k$ , так и от того, насколько плотно звезды были сгруппированы вокруг СМЧД до толчка. Ряд аргументов предполагает, что общая звездная масса будет составлять примерно 0,1% от массы СМЧД или меньше. ^[3] Самые большие HCSS будут нести, возможно, несколько миллионов звезд, что делает их сопоставимыми по светимости с шаровым скоплением или сверхкомпактной карликовой галактикой .

Помимо большой компактности, главное отличие HCSS от обычного звездного скопления заключается в гораздо большей массе HCSS из-за сверхмассивной черной дыры в ее центре. Сама сверхмассивная черная дыра темная и необнаружимая, но ее гравитация заставляет звезды двигаться с гораздо более высокими скоростями, чем в обычном звездном скоплении. Обычные звездные скопления имеют внутренние скорости в несколько километров в секунду, тогда как в HCSS по сути все звезды движутся быстрее $V k$ , то есть сотни или тысячи километров в секунду.

Если скорость удара меньше скорости выхода из галактики, СМЧД упадет обратно к ядру галактики, многократно осциллируя через галактику, прежде чем окончательно остановиться. ^[4] В этом случае HCSS будет существовать как отдельный объект только относительно короткое время, порядка сотен миллионов лет, прежде чем исчезнет обратно в ядре галактики. В течение этого времени HCSS будет трудно обнаружить, поскольку он будет наложен на галактику или находиться позади нее.

Даже если HCSS покидает свою галактику-хозяина, он останется связанным с группой или скоплением , содержащим галактику, поскольку скорость побега из скопления галактик намного больше, чем из одной галактики. При наблюдении HCSS будет двигаться медленнее, чем $V k$ , поскольку он вылезет через гравитационную потенциальную яму галактики и/или скопления.

Звезды в HCSS будут похожи на типы звезд, которые наблюдаются в ядрах галактик. Это сделает звезды в HCSS более богатыми металлами и моложе, чем звезды в типичном шаровом скоплении. ^[3]

Поиск

Поскольку черная дыра в центре HCSS по сути невидима, HCSS будет выглядеть очень похоже на слабое скопление звезд. Определение того, что наблюдаемое звездное скопление является HCSS, требует измерения орбитальных скоростей звезд в скоплении с помощью их доплеровских смещений и проверки того, что они движутся намного быстрее, чем ожидается для звезд в обычном звездном скоплении. Это сложное наблюдение, поскольку HCSS будет относительно слабым, требуя многих часов времени экспозиции даже на телескопе класса 10 м .

Наиболее перспективными местами для поиска HCSS являются скопления галактик по двум причинам: во-первых, большинство галактик в скоплении галактик являются эллиптическими галактиками, которые, как полагают, образовались в результате слияний . Слияние галактик является предпосылкой для образования двойной сверхмассивной черной дыры, которая является предпосылкой для толчка. Во-вторых, скорость выхода из скопления галактик достаточно велика, чтобы HCSS сохранился, даже если бы он покинул свою родительскую галактику.

Было подсчитано, что близлежащие скопления галактик Печи и Девы могут содержать сотни или тысячи HCSS. ^[3] Эти скопления галактик были обследованы на предмет компактных галактик и звездных скоплений. Возможно, что некоторые из объектов, обнаруженных в этих обследованиях, были HCSS, которые были ошибочно идентифицированы как обычные звездные скопления. Известно, что несколько компактных объектов в обследованиях имеют довольно высокие внутренние скорости, но ни один из них не кажется достаточно массивным, чтобы квалифицироваться как HCSS. ^[5]

Другим вероятным местом обнаружения HCSS может быть место недавнего слияния галактик .

Время от времени черная дыра в центре HCSS разрушает звезду, которая проходит слишком близко, производя очень яркую вспышку. Несколько таких вспышек наблюдались в центрах галактик , предположительно, вызванных звездой, подходящей слишком близко к сверхмассивной черной дыре в ядре галактики. ^[6] Было подсчитано, что отскакивающая сверхмассивная черная дыра разрушит около дюжины звезд за время, необходимое для того, чтобы покинуть свою галактику. ^[7] Поскольку продолжительность жизни вспышки составляет несколько месяцев, шансы увидеть такое событие невелики, если не исследовать большой объем пространства. Звезда в HCSS также может взорваться как сверхновая типа I ( белый карлик ) . ^[7]

Важность

Открытие HCSS было бы важно по нескольким причинам.

Это стало бы доказательством того, что сверхмассивные черные дыры могут существовать за пределами галактик.
Это позволит проверить компьютерное моделирование , предсказывающее отдачу гравитационных волн со скоростью в тысячи километров в секунду.
Существование HCSS означало бы, что некоторые галактики не имеют сверхмассивных черных дыр в своих центрах. Это имело бы важные последствия для теорий, связывающих рост галактик с ростом сверхмассивных черных дыр, и для эмпирических корреляций между массой сверхмассивных черных дыр и свойствами галактик.
Если бы удалось обнаружить много HCSS, можно было бы реконструировать распределение скоростей толчков, которое содержит информацию об истории слияний галактик, массах и спинах двойных черных дыр и т. д.

Смотрите также

Ссылки

^ Хили, Дж.; Херрманн, Ф.; Шумейкер, Д.М .; Лагуна, П.; Мацнер, Р.А.; Мацнер, Ричард (2009), «Суперудары в гиперболических столкновениях двойных черных дыр», Physical Review Letters , 102 (4): 041101–041105, arXiv : 0807.3292 , Bibcode : 2009PhRvL.102d1101H, doi : 10.1103/PhysRevLett.102.041101, PMID 19257409, S2CID 9897187
^ Мерритт, Д .; Милосавлевич, М.; Фавата, М.; Хьюз, С.А.; Хольц, Д.Э. (2004), «Последствия отдачи гравитационного излучения», The Astrophysical Journal , 607 (1): L9–L12, arXiv : astro-ph/0402057 , Bibcode : 2004ApJ...607L...9M, doi : 10.1086/421551, S2CID 15404149
^ abcd Мерритт, Д.; Шниттман, Дж. Д.; Комосса, С. (2009), «Гиперкомпактные звездные системы вокруг отскакивающих сверхмассивных черных дыр», The Astrophysical Journal , 699 (2): 1690–1710, arXiv : 0809.5046 , Bibcode : 2009ApJ...699.1690M, doi : 10.1088/0004-637X/699/2/1690, S2CID 17260029
^ Гуаландрис, А.; Мерритт, Д. (2008), «Выброс сверхмассивных черных дыр из ядер галактик», The Astrophysical Journal , 678 (2): 780–796, arXiv : 0708.0771 , Bibcode : 2008ApJ...678..780G, doi : 10.1086/586877, S2CID 14314439
^ Mieske, S.; Hilker, M.; Jordán, A.; Infante, L.; Kissler-Patig, M.; Rejkuba, M.; Richtler, T.; Côté, P.; и др. (2008), «Природа UCD: Внутренняя динамика из расширенной выборки и однородной базы данных», Astronomy and Astrophysics , 487 (3): 921–935, arXiv : 0806.0374 , Bibcode : 2008A&A...487..921M, doi : 10.1051/0004-6361:200810077, S2CID 10979137
^ Комосса, С. (2004), «Экстремумы (рентгеновской) изменчивости среди галактик: вспышки от звезд, приливно нарушенные сверхмассивными черными дырами», Труды Международного астрономического союза , 2004 : 45–48, Bibcode : 2004IAUS..222...45K, doi : 10.1017/S1743921304001425
^ ab Komossa, S.; Merritt, D. (2009), "Вспышки приливного разрушения от отскакивающих сверхмассивных черных дыр", The Astrophysical Journal , 683 (1): L21–L24, arXiv : 0807.0223 , Bibcode : 2008ApJ...683L..21K, doi : 10.1086/591420, S2CID 42183413

Внешние ссылки

Изуродованные звезды могут выявить выброшенные черные дыры Статья в журнале New Scientist о вспышках приливного разрушения, вызванных отскакивающими черными дырами.