Астрономы обнаружили одну из самых больших черных дыр

В 1931 году индийско-американский физик Субрахманьян Чандрасекхар предложил дополнение к общей теории относительности Эйнштейна, которое постулировало существование черных дыр. К 1972 году астрономы получили первые убедительные доказательства существования этих объектов в нашей Вселенной. Наблюдения за квазарами и центром Млечного Пути показали, что большинство массивных галактик имеют в своих ядрах сверхмассивные черные дыры (СМЧД). С тех пор изучение черных дыр показало, что эти объекты различаются по размеру и массе - от микрочерных дыр (МЧД) и промежуточных черных дыр (ПЧД) до сверхмассивных черных дыр (СМЧД). Используя астрономическое моделирование и метод, известный как гравитационное линзирование, международная группа астрофизиков обнаружила, возможно, самую большую черную дыру из когда-либо наблюдавшихся. Эта сверхмассивная черная дыра (UMBH) имеет массу, примерно в 30 миллиардов раз превышающую массу нашего Солнца, и находится вблизи центра скопления галактик Abell 1201, примерно в 2,7 миллиардах световых лет от Земли. Это первый случай обнаружения черной дыры с помощью гравитационного линзирования, который может позволить исследованиям, направленным на поиск черных дыр в более далеком космосе и углубить наше понимание их размеров и масштабов.

Исследование проводилось учеными из Центра внегалактической астрономии (CEA) Даремского университета, Института астрофизики Макса Планка (MPIA) и Исследовательского центра Эймса НАСА. Исследование проводилось под руководством доктора Джеймса Найтингейла при поддержке Космического агентства Великобритании (UKSA), Королевского общества, Совета по научно-техническим средствам (STFC) и Европейского исследовательского совета (ERC). Статья с описанием полученных результатов недавно появилась в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Гравитационное линзирование (ГЛ) - это явление, предсказанное общей теорией относительности, которая описывает, как искривление простра времени искажается из-за присутствия массивных объектов. Эта техника предполагает использование астрономами массивных объектов на переднем плане (например, галактик или скоплений галактик) для усиления света от более удаленных объектов. Это позволяет астрономам изучать объекты, которые иначе были бы недоступны для них либо из-за расстояния, либо из-за наличия других объектов на той же линии видимости. Эта техника также позволяет астрономам более детально изучать удаленные объекты, такие как скопление Abell 1201.

Доктор Найтингейл и его коллеги начали изучать это скопление в 2004 году, когда профессор Аластер Эдж, астроном Даремского университета и соавтор данной работы, просмотрел снимки галактического обзора и заметил в его окрестностях гигантскую линзу. Для этого исследования доктор Найтингейл, профессор Эдж и их коллеги изучили данные космического телескопа "Хаббл" (HST) в нескольких диапазонах, включая видимый свет, рентгеновские лучи и другие длины волн. Следуя за тем, что увидел Хаббл много лет назад, команда сравнила данные с моделированием на новом суперкомпьютере DiRAC COSmology MAchine 8 (COSMA8) в Даремском университете.

Используя программное обеспечение с открытым исходным кодом (PyAutoLens), на которое полагаются астрономы для моделирования сильных линз, команда смоделировала свет, проходящий между Abell 2021 и Землей несколько тысяч раз. Каждая симуляция включала черную дыру с различной массой и то, как это повлияет на путь света, который он проделает за 2,7 миллиарда лет, чтобы достичь Земли. Результаты показали, что СМЧД, расположенная в галактике переднего плана, более чем в 30 миллиардов раз массивнее нашего Солнца, объясняет то, что увидел Хаббл. Астрономы редко видят черные дыры такой массы, и эта находка (если она подтвердится) станет самой большой черной дырой из когда-либо обнаруженных.

Кроме того, впервые астрономы использовали технику гравитационной линзы для обнаружения такой массивной черной дыры. Более того, это может помочь астрономам в будущем узнать больше о СМЧД. Обычно астрономы в основном ограничиваются изучением активных черных дыр из-за их яркости в нескольких диапазонах длин волн. Это вызвано тем, что газ и пыль притягиваются к черным дырам и образуют плотно прилегающие диски, которые разгоняются до скоростей, приближающихся к скорости света (релятивистская скорость).

В результате материал в диске становится высокоэнергетичным, испуская излучение в видимом свете, инфракрасном, рентгеновском, радиоволновом и других диапазонах. То же самое происходит, когда материал вливается и аккрецирует на поверхность черной дыры, разрываясь на субатомном уровне. Это характерно для активных галактических ядер (АГЯ), когда центр галактики светится ярче, чем все звезды в галактических дисках. Данное исследование показало, как по наличию мощного АГЯ можно судить о спящих черных дырах, которые светятся значительно слабее.

Команда надеется, что это исследование приведет к более глубокому изучению черных дыр, чему будет способствовать новый класс 30-метровых телескопов, которые начнут работать в ближайшем будущем. К ним относятся Чрезвычайно большой телескоп (ELT), Гигантский Магелланов телескоп (GMT) и Тридцатиметровый телескоп (TMT), которые будут сочетать большую чувствительность с адаптивной оптикой и интерферометрами. Вместе с улучшенным анализом данных и новыми методами астрономы, вероятно, смогут изучить еще более удаленные черные дыры и получить дополнительные сведения об этих чудовищах.