stringtranslate.com

Черная дыра средней массы

Шаровое скопление Мейолл II (M31 G1) является возможным кандидатом на размещение в своем центре черной дыры средней массы [1]

Черная дыра промежуточной массы ( IMBH ) — это класс черных дыр с массой в диапазоне от ста до ста тысяч (10 2 –10 5 ) масс Солнца : значительно больше, чем у звездных черных дыр , но меньше, чем от ста тысяч до более чем миллиарда (10 5 –10 9 ) масс Солнца у сверхмассивных черных дыр . [2] [3] [4] Несколько объектов-кандидатов в IMBH были обнаружены в галактике Млечный Путь и других близлежащих галактиках на основе косвенных наблюдений за скоростью газовых облаков и спектрами аккреционного диска различной доказательной силы.

Данные наблюдений

Гравитационно -волновой сигнал GW190521 , который произошел 21 мая 2019 года в 03:02:29 UTC, [5] и был опубликован 2 сентября 2020 года, [6] [7] [8] возник в результате слияния двух черных дыр. Они имели массы 85 и 65 солнечных масс и слились, образовав черную дыру массой 142 солнечных масс, причем 8 солнечных масс были излучены в виде гравитационных волн. [9] [6] [7] [8]

До этого наиболее веские доказательства существования IMBHs были получены от нескольких активных ядер галактик с низкой светимостью . [10] Благодаря своей активности эти галактики почти наверняка содержат аккрецирующие черные дыры, и в некоторых случаях массы черных дыр можно оценить с помощью техники реверберационного картирования . Например, спиральная галактика NGC 4395 на расстоянии около 4 Мпк, по-видимому, содержит черную дыру с массой около 3,6 × 10 5 солнечных масс. [11] [ релевантно? ]

Самая большая современная выборка черных дыр средней массы включает 305 кандидатов [12], отобранных с помощью сложного анализа миллиона оптических спектров галактик, собранных Sloan Digital Sky Survey. [13] У 10 из этих кандидатов было обнаружено рентгеновское излучение [12], что подтверждает их классификацию как IMBH.

Некоторые сверхъяркие рентгеновские источники (ULX) в близлежащих галактиках предположительно являются IMBH с массами от ста до тысячи солнечных масс . [14] ULX наблюдаются в областях звездообразования (например, в галактике со вспышкой звездообразования M82 [15] ) и, по-видимому, связаны с молодыми звездными скоплениями, которые также наблюдаются в этих областях. Однако только динамическое измерение массы из анализа оптического спектра звезды-компаньона может раскрыть присутствие IMBH как компактного аккретора ULX.

Несколько шаровых скоплений были заявлены как содержащие IMBH, на основе измерений скоростей звезд вблизи их центров; на рисунке показан один объект-кандидат. Однако ни одно из заявленных обнаружений не выдержало проверки. [10] Например, данные для M31 G1 , объекта, показанного на рисунке, могут быть одинаково хорошо подобраны без массивного центрального объекта. [16]

Дополнительные доказательства существования IMBH могут быть получены путем наблюдения гравитационного излучения , испускаемого двойной звездой, содержащей IMBH и компактный остаток или другую IMBH. [17] [18]

Наконец, соотношение M–сигма предсказывает существование черных дыр с массами от 10 4 до 10 6 солнечных масс в галактиках с низкой светимостью. [19] Наименьшая черная дыра из предсказания соотношения M–сигма — это ядро ​​галактики RGG 118 с массой всего около 50 000 солнечных масс. [20]

Потенциальные открытия

RX J1140.1+0307 — спиральная галактика, в центре которой находится более легкая черная дыра средней массы. [21]

В ноябре 2004 года группа астрономов сообщила об открытии GCIRS 13E , первой черной дыры средней массы в галактике Млечный Путь , вращающейся на расстоянии трех световых лет от Стрельца A* . [22] Эта средняя черная дыра массой 1300 солнечных масс находится в скоплении из семи звезд, возможно, остатках массивного звездного скопления, которое было раздето Галактическим центром . Это наблюдение может подтвердить идею о том, что сверхмассивные черные дыры растут, поглощая соседние более мелкие черные дыры и звезды. Однако в 2005 году немецкая исследовательская группа заявила, что наличие IMBH вблизи галактического центра сомнительно, основываясь на динамическом исследовании звездного скопления, в котором, как утверждалось, находится IMBH. [23] IMBH вблизи галактического центра также может быть обнаружена по ее возмущениям на звездах, вращающихся вокруг сверхмассивной черной дыры. [24]

В январе 2006 года группа под руководством Филиппа Каарета из Университета Айовы объявила об открытии квазипериодического колебания от кандидата в черную дыру средней массы, обнаруженного с помощью Rossi X-ray Timing Explorer НАСА . Кандидат, M82 X-1 , вращается вокруг красного гиганта, который сбрасывает свою атмосферу в черную дыру. [25] Ни существование колебания, ни его интерпретация как орбитального периода системы не полностью приняты остальной частью научного сообщества, поскольку заявленная периодичность основана всего на четырех циклах, что означает, что это может быть случайным изменением. Если период реален, он может быть либо орбитальным периодом, как предполагалось, либо суперорбитальным периодом в аккреционном диске, как это наблюдается во многих других системах. [ необходима цитата ]

В 2009 году группа астрономов под руководством Шона Фаррелла обнаружила HLX-1 , черную дыру средней массы с меньшим скоплением звезд вокруг нее, [26] в галактике ESO 243-49. Эти данные свидетельствуют о том, что ESO 243-49 столкнулась с галактикой HLX-1 и поглотила большую часть материи меньшей галактики.

Группа исследователей на радиотелескопе CSIRO в Австралии 9 июля 2012 года объявила об открытии первой черной дыры средней массы. [27]

В 2015 году группа ученых из Университета Кейо в Японии обнаружила газовое облако ( CO-0.40-0.22 ) с очень широкой дисперсией скоростей. [28] Они провели моделирование и пришли к выводу, что модель с черной дырой массой около 100 000 солнечных будет наилучшим образом соответствовать распределению скоростей. [29] Однако более поздняя работа указала на некоторые трудности, связанные с ассоциацией облаков с высокой дисперсией скоростей с черными дырами средней массы, и предположила, что такие облака могут быть созданы сверхновыми . [ 30] Дальнейшие теоретические исследования газового облака и близлежащих кандидатов в IMBH оказались безрезультатными, но вновь открыли эту возможность. [31]

В 2017 году было объявлено, что черная дыра массой в несколько тысяч солнечных масс может находиться в шаровом скоплении 47 Tucanae . Это было основано на ускорениях и распределениях пульсаров в скоплении; [32] однако более поздний анализ обновленного и более полного набора данных по этим пульсарам не нашел никаких положительных доказательств этого. [33]

В 2018 году группа ученых из Университета Кейо обнаружила несколько молекулярных газовых потоков, вращающихся вокруг невидимого объекта вблизи центра галактики, обозначенного как HCN-0.009-0.044 , и предположила, что это черная дыра массой 32 000 солнечных масс, и если это так, то это третья обнаруженная в этом регионе IMBH. [34]

Моделирование движения звезд в Мессье 4
Моделирование движения звезд в Мессье 4 , где, как подозревают астрономы, может присутствовать черная дыра средней массы. [35] [36] Если это подтвердится, черная дыра будет находиться в центре скопления и будет иметь сферу влияния (черную дыру), ограниченную красным кругом.

Наблюдения в 2019 году обнаружили доказательства гравитационно-волнового события ( GW190521 ), возникшего в результате слияния двух черных дыр средней массы, с массами в 66 и 85 раз больше массы Солнца. [37] В сентябре 2020 года было объявлено, что образовавшаяся в результате слияния черная дыра весила 142 массы Солнца, причем 9 масс Солнца были излучены в виде гравитационных волн. [9] [6] [7] [8]

В 2020 году астрономы сообщили о возможном обнаружении черной дыры средней массы, названной 3XMM J215022.4-055108, в направлении созвездия Водолея , примерно в 740 миллионах световых лет от Земли. [38] [39]

В 2021 году открытие черной дыры средней массы массой 100 000 масс Солнца в шаровом скоплении B023-G78 в галактике Андромеды было опубликовано в arXiv в виде препринта. [40]

В 2023 году анализ собственных движений ближайшего известного шарового скопления, Мессье 4 , выявил избыточную массу примерно в 800 солнечных масс в центре, которая, по-видимому, не является протяженной и, таким образом, может рассматриваться как кинематическое доказательство существования IMBH (даже если необычно компактное скопление компактных объектов, белых карликов, нейтронных звезд или черных дыр звездной массы нельзя полностью исключить). [35] [36]

Исследование, проведенное 10 июля 2024 года, изучило семь быстро движущихся звезд из центра шарового скопления Омега Центавра и обнаружило, что эти звезды, по всей вероятности, связаны с черной дырой средней массы, масса которой составляет не менее 8200 солнечных масс. [41]

Источник

Черные дыры средней массы слишком массивны, чтобы образоваться в результате коллапса одной звезды, как считается, образуются звездные черные дыры . В их окружении отсутствуют экстремальные условия — то есть высокая плотность и скорости, наблюдаемые в центрах галактик, — которые, по-видимому, приводят к образованию сверхмассивных черных дыр . Существует три постулируемых сценария образования IMBH. Первый — это слияние черных дыр звездной массы и других компактных объектов посредством аккреции . Второй — это неуправляемое столкновение массивных звезд в плотных звездных скоплениях и коллапс продукта столкновения в IMBH. Третий — это то, что они являются первичными черными дырами, образовавшимися в результате Большого взрыва . [42] [43] [44]

Ученые также рассматривали возможность создания черных дыр средней массы посредством механизмов, включающих коллапс одной звезды, например, возможность прямого коллапса в черные дыры звезд с гелиевым ядром до сверхновой массой >133  M ☉ (чтобы избежать парной нестабильности сверхновой , которая полностью разрушила бы звезду), требующей начальной общей звездной массы > 260  M ☉ , но может быть мало шансов наблюдать остаток сверхновой такой большой массы. Недавние теории предполагают, что такие массивные звезды, которые могли бы привести к образованию черных дыр средней массы, могут образовываться в молодых звездных скоплениях посредством множественных столкновений звезд. [45]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Гебхардт, Карл; Рич, Р. М.; Хо, Луис К. (декабрь 2005 г.), «Черная дыра средней массы в шаровом скоплении G1: улучшенная значимость по результатам новых наблюдений с помощью космических телескопов Кека и Хаббла», The Astrophysical Journal , 634 (2): 1093–1102, arXiv : astro-ph/0508251 , Bibcode : 2005ApJ...634.1093G, doi : 10.1086/497023, S2CID  119049663
  2. ^ Грин, Дженни (1 июля 2022 г.). «Черные дыры средней массы в галактиках». 44-я научная ассамблея КОСПАР . 44 : 2201 – через NASA ADS.
  3. ^ Цзян, Янь-Фэй; Грин, Дженни Э.; Хо, Луис К.; Сяо, Тин; Барт, Аарон Дж. (2011), «Галактики-хозяева маломассивных черных дыр»
  4. ^ Грэм, Алистер В.; Скотт, Николас (2015), «Масштабное соотношение массы (черной дыры) и балджа при малых массах»
  5. ^ "GW trigger S190521g ('GW 190521')". Университет Лестера . 2020. Архивировано из оригинала 28 июня 2020 г. Получено 26 июня 2020 г.
  6. ^ abc Эбботт, Р.; и др. (2 сентября 2020 г.). "Свойства и астрофизические последствия слияния 150 M ⊙ двойной черной дыры GW190521". The Astrophysical Journal . 900 (1): L13. arXiv : 2009.01190 . Bibcode :2020ApJ...900L..13A. doi : 10.3847/2041-8213/aba493 .
  7. ^ abc Эбботт, Р.; и др. (2 сентября 2020 г.). "GW190521: слияние двойных черных дыр с общей массой 150 M ⊙". Physical Review Letters . 125 (10): 101102. arXiv : 2009.01075 . Bibcode :2020PhRvL.125j1102A. doi : 10.1103/PhysRevLett.125.101102 . PMID  32955328.
  8. ^ abc Martin (2 сентября 2020 г.). "GW190521: самое массивное столкновение черных дыр, наблюдавшееся на сегодняшний день" (PDF) . Научное сотрудничество LIGO . Архивировано (PDF) из оригинала 4 сентября 2020 г. . Получено 2 сентября 2020 г. .
  9. ^ ab Siegel, Ethan (3 сентября 2020 г.). «Самое крупное массовое слияние LIGO предвещает революцию черных дыр». Forbes . Архивировано из оригинала 4 сентября 2020 г. Получено 5 сентября 2020 г.
  10. ^ ab Merritt, David (2013). Динамика и эволюция ядер галактик. Принстон, Нью-Джерси: Princeton University Press . ISBN 9781400846122.
  11. ^ Петерсон, Брэдли и др. (2005). «Многоволновой мониторинг карликовой сейфертовской галактики 1 NGC 4395. I. Измерение массы черной дыры на основе реверберации». The Astrophysical Journal . 632 (2): 799–808. arXiv : astro-ph/0506665 . Bibcode :2005ApJ...632..799P. doi :10.1086/444494. S2CID  13886279.
  12. ^ ab Чилингарян, Игорь; и др. (2018). «Популяция настоящих черных дыр средней массы, идентифицированных как активные ядра галактик с низкой светимостью». The Astrophysical Journal . 863 (1): 799–808. arXiv : 1805.01467 . Bibcode :2018ApJ...863....1C. doi : 10.3847/1538-4357/aad184 . S2CID  119093965.
  13. ^ Слоуновский цифровой обзор неба https://www.sdss.org
  14. ^ Maccarone, TJ; Kundu, A; Zepf, SE; Rhode, KL (2007). «Черная дыра в шаровом скоплении». Nature . 445 (7124): 183–185. arXiv : astro-ph/0701310 . Bibcode :2007Natur.445..183M. doi :10.1038/nature05434. PMID  17203062. S2CID  4323113.
  15. ^ Патруно, А.; Портегис Цварт, С.; Деви, Дж.; Хопман, К. (2006). «Источник сверхяркого рентгеновского излучения в M82: черная дыра средней массы с гигантским компаньоном». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters . 370 (1): L6–L9. arXiv : astro-ph/0506275 . Bibcode : 2006MNRAS.370L...6P. doi : 10.1111/j.1745-3933.2006.00176.x . S2CID  10694200.
  16. ^ Baumgardt, H.; et al. (2003). "Динамическая модель шарового скопления G1". The Astrophysical Journal . 589 (1): L25–L28. arXiv : astro-ph/0301469 . Bibcode : 2003ApJ...589L..25B. doi : 10.1086/375802. S2CID  119464795.
  17. ^ Хопман, Кловис; Саймон Портегис Зварт (2005). «Гравитационные волны от остатков сверхъярких рентгеновских источников». Mon. Not. R. Astron. Soc. Lett . 363 (1): L56–L60. arXiv : astro-ph/0506181 . Bibcode :2005MNRAS.363L..56H. doi : 10.1111/j.1745-3933.2005.00083.x . S2CID  6904146.
  18. ^ "Измерение двойных черных дыр средней массы с помощью усовершенствованных детекторов гравитационных волн". Gravitational Wave Group . University of Birmingham . Получено 28 ноября 2015 г.
  19. ^ Lützgendorf, N.; et al. (2013). "Соотношение M • − σ для черных дыр средней массы в шаровых скоплениях". Astronomy & Astrophysics . 555 (A26). arXiv : 1304.7156 . doi :10.1051/0004-6361/201321183.
  20. ^ Baldassare, Vivienne F.; Reines, Amy E.; Gallo, Elena; Greene, Jenny E. (2015). "Черная дыра массой ~50 000 M ⊙ Solar в ядре RGG 118". The Astrophysical Journal . 809 (1): L14. arXiv : 1506.07531 . Bibcode :2015ApJ...809L..14B. doi :10.1088/2041-8205/809/1/L14. S2CID  84177579.
  21. ^ "Черная дыра загадочной легкости". www.spacetelescope.org . Получено 9 января 2017 г. .
  22. ^ «S2 и Центральная черная дыра».
  23. ^ Schoedel, R.; A. Eckart; C. Iserlohe; R. Genzel; T. Ott (2005). «Черная дыра в комплексе галактического центра IRS 13E?». Astrophysical Journal . 625 (2): L111–L114. arXiv : astro-ph/0504474 . Bibcode : 2005ApJ...625L.111S. doi : 10.1086/431307. S2CID  10250848.
  24. ^ Gualandris, A.; Merritt, D. (2009). «Возмущения черных дыр средней массы на звездных орбитах в центре Галактики». Astrophys. J . 705 (1): 361–371. arXiv : 0905.4514 . Bibcode :2009ApJ...705..361G. doi :10.1088/0004-637X/705/1/361. S2CID  17649160.
  25. ^ «Умирающая звезда раскрывает новые доказательства существования нового типа черной дыры | Научный блог».
  26. ^ Сория, Роберто; Хау, Джордж КТ; Грэм, Алистер В.; Конг, Альберт КХ; Куин, Н. Пол М.; Ли, И.-Хуэй; Лю, Цзи-Фэн; Ву, Кинвах (2010), «Открытие оптического аналога сверхъяркого рентгеновского источника в ESO 243-49»
  27. ^ Нис, Эрик (9 июля 2012 г.). «Астрономы обнаружили самую первую черную дыру промежуточной массы». Горелка Бунзена . Phillips Cronkite Media Group. Архивировано из оригинала 13 июля 2012 г. Получено 9 июля 2012 г.
  28. ^ Ока, Томохару; Мизуно, Рэйко; Миура, Кодай; Такекава, Шунья (28 декабря 2015 г.). «Признак черной дыры промежуточной массы в центральной молекулярной зоне нашей Галактики». Астрофизический журнал . 816 (1): Л7. arXiv : 1512.04661 . Бибкод : 2016ApJ...816L...7O. дои : 10.3847/2041-8205/816/1/L7 . S2CID  119228384.
  29. ^ «Признаки второй по величине черной дыры в Млечном Пути – возможное недостающее звено в эволюции черной дыры». Naoj: Национальная астрономическая обсерватория Японии . Национальная астрономическая обсерватория Японии. 15 января 2016 г.
  30. ^ Ялиневич, Альмог; Бениамини, Пас (2018), «Сверхновые, генерирующие высокоскоростные компактные облака», Астрономия и астрофизика , 612 : L9, arXiv : 1709.05738 , Bibcode : 2018A&A...612L...9Y, doi : 10.1051/0004-6361/201732389, S2CID  119012130
  31. ^ Ballone, Alessandro; Mapelli, Michela; Pasquato, Mario (11 ноября 2018 г.). «Взвешивание кандидата в IMBH CO-0.40-0.22* в Галактическом центре». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 480 (4): 4684–4692. arXiv : 1809.01664 . Bibcode : 2018MNRAS.480.4684B. doi : 10.1093/mnras/sty2139 . ISSN  0035-8711. S2CID  119252027.
  32. ^ Кызылтан, Бюлент; Баумгардт, Хольгер; Лёб, Абрахам (2017). «Черная дыра промежуточной массы в центре шарового скопления 47 Тукана». Nature . 542 (7640): 203–205. arXiv : 1702.02149 . Bibcode :2017Natur.542..203K. doi :10.1038/nature21361. PMID  28179649. S2CID  1289123.
  33. ^ Фрейре, Пауло; Ридольфи, Алессандро; Крамер, Майкл (2017). «Долгосрочные наблюдения пульсаров в 47 Тукане - II. Собственные движения, ускорения и рывки». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 471 (7640): 857–876. arXiv : 1706.04908 . Bibcode : 2017MNRAS.471..857F. doi : 10.1093/mnras/stx1533 . S2CID  119240682.
  34. ^ Такекава, Шунья; Ока, Томохару; Ивата, Юхей; Цудзимото, Сихо; Номура, Марико (16 января 2019 г.). «Признак существования еще одной черной дыры промежуточной массы в галактическом центре». Астрофизический журнал . 871 (1): Л1. arXiv : 1812.10733 . Бибкод : 2019ApJ...871L...1T. дои : 10.3847/2041-8213/aafb07 . ISSN  2041-8213. S2CID  119418223.
  35. ^ ab Vitral, E.; et al. (2023). «Неуловимая темная центральная масса в шаровом скоплении M4». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 522 (4): 5740–5757. arXiv : 2305.12702 . Bibcode : 2023MNRAS.522.5740V. doi : 10.1093/mnras/stad1068 .
  36. ^ ab "NASA's Hubble Hunts for Intermediate-Sized Black Hole Near to Home". NASA . 23 мая 2023 г. . Получено 23 мая 2023 г. .
  37. ^ "LIGO Scientific Collaboration – The science of LSC research". www.ligo.org . Получено 2020-09-02 .
  38. ^ До свидания, Деннис (6 мая 2020 г.). «Глубоко в космическом лесу, черная дыра, которая может понравиться Златовласке». The New York Times . Получено 7 мая 2020 г.
  39. ^ Лин, Даченге и др. (2020). «Многоволновое наблюдение за сверхъярким кандидатом в черную дыру средней массы 3XMM J215022.4−055108». The Astrophysical Journal . 892 (2): L25. arXiv : 2002.04618 . Bibcode : 2020ApJ...892L..25L. doi : 10.3847/2041-8213/ab745b . S2CID  211082676.
  40. ^ Старр, Мишель (19 ноября 2021 г.). «Астрономы, возможно, обнаружили редкую черную дыру «недостающее звено» у нашего ближайшего соседа». ScienceAlert .
  41. ^ Хаберле, Максимилиан; и 17 других (10 июля 2024 г.). «Быстро движущиеся звезды вокруг черной дыры промежуточной массы в Омеге Центавра». Nature . 631 (8020): 285–288. arXiv : 2405.06015 . Bibcode :2024Natur.631..285H. doi :10.1038/s41586-024-07511-z. PMC 11236702 . PMID  38987499. {{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  42. ^ Бин, Рэйчел; Магейжу, Жуан (2002). «Могут ли сверхмассивные черные дыры быть квинтэссенцией первичных черных дыр?». Physical Review D. 66 ( 6): 063505. arXiv : astro-ph/0204486 . Bibcode : 2002PhRvD..66f3505B. doi : 10.1103/PhysRevD.66.063505. S2CID  36067101.
  43. ^ Кавасаки, М.; Кусенко, А.; Янагида, Т. (2012). «Первичные семена сверхмассивных черных дыр». Physics Letters B. 711 ( 1): 1–5. arXiv : 1202.3848 . Bibcode : 2012PhLB..711....1K. doi : 10.1016/j.physletb.2012.03.056. S2CID  119229231.
  44. ^ Клесс, С.; Гарсия-Беллидо, Дж. (2015). «Массивные первичные черные дыры от гибридной инфляции как темная материя и семена галактик». Physical Review D. 92 ( 2): 023524. arXiv : 1501.07565 . Bibcode : 2015PhRvD..92b3524C. doi : 10.1103/PhysRevD.92.023524. hdl : 10486/674729. S2CID  118672317.
  45. ^ Ди Карло, ООН (2019). «Слияние черных дыр в молодых звездных скоплениях». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters . 487 (2): 2947–2960. arXiv : 1901.00863v1 . Bibcode : 2019MNRAS.487.2947D. doi : 10.1093/mnras/stz1453 . S2CID  119252415.

Внешние ссылки