Підтвердження існування супермасивної чорної діри, що втікає, завдяки її супершвидкісному удару

Супермасивні чорні діри, що втікають, які виникають внаслідок злиття галактик, були предметом передбачень науковців протягом тривалого часу. У березні 2023 року космічний телескоп Хаббл вперше надав свідчення про таку чорну діру, виявивши довгу хвостову структуру газу, що зазнала удару (див. наші епізоди 1469 і 1493). Нещодавно команда, яка здійснила це початкове спостереження, провела нові вимірювання, використовуючи телескоп Джеймса Вебба. Отримані дані підтверджують, що цей об'єкт рухається з супершвидкістю в міжгалактичному середовищі, порушуючи дифузний газ і створюючи ударну хвилю. Дослідники вважають, що цей об'єкт, ймовірно, є супермасивною чорною дірою, яка була викинута з своєї галактики та рухається через міжгалактичний простір з великою швидкістю. Дослідження опубліковано в The Astrophysical Journal Letters.

Кандидат на супермасивну чорну діру був випадково виявлений на зображенні, отриманому Хабблом. Його материнська галактика знаходиться на червоному зсуві 0,964. Зображення показало дивну лінійну структуру, що, здавалося, виходила прямо з сусідньої галактики або рухалася до неї. Спектроскопічний аналіз виявив, що ця структура може відповідати супермасивній чорній дірі, що рухається з супершвидкістю і викликає удар у навколишньому галактичному середовищі. Однак спектри не виключали й інших пояснень, таких як можливість, що це може бути спіральна галактика без центрального виступу, що спостерігається точно в профіль.

Щоб дізнатися більше про цей загадковий об'єкт, довжина якого становить 62 кпк, та виключити інші можливі пояснення, Пітер Ван Доккум (Єльський університет) та його колеги використали спектроіміджер NIRSpec телескопа Вебба. Кожен піксель зображення містить спектр (також відомий як «спаксел»), що дозволяє астрономам порівнювати спектри об'єкта в різних фізичних місцях.

Завдяки ефекту Доплера, світло буде зміщене в бік коротших хвиль (синє зміщення), якщо джерело рухається до нас, і в бік довших хвиль (червоне зміщення), якщо джерело віддаляється від нас. Чим швидше рухається джерело, тим більше зміщення довжини хвилі. На кінці структури дослідники виявили, що швидкість газу змінюється на понад 600 км/с на відстані всього 1 кпк. Такий різкий градієнт швидкості на кінці цієї лінійної структури є характерною ознакою супершвидкісної ударної хвилі. Жоден інший ефект не міг би викликати таку радикальну зміну швидкості газу на такій малій (астрономічній) шкалі. Інтерпретація в термінах ударної хвилі підтверджується морфологією газу на кінці сліду та аналізом співвідношень інтенсивності ліній [O III]/Hα, [N II]/Hα, [S II]/Hα та [S III]/[S II]. Ці співвідношення сумісні з швидкими радіаційними ударами та швидким охолодженням, а оптимальні швидкості ударів узгоджуються з прогнозами, основаними на швидкості чорної діри та геометрії удару.

Моделюючи кінематику, що очікується від ударної хвилі, автори прогнозують, як швидкість повинна змінюватися в різних спакселях. Ударна хвиля не рухається ідеально паралельно до площини неба; вона нахилена до нас приблизно на 30 градусів. Таким чином, одна сторона ударної хвилі рухається до нас (ближній «лімб»), а інша – від нас (дальній «лімб»). Кут удару означає, що ми повинні спостерігати багато світлових випромінювань, зміщених у бік синього від ближнього лімба, і трохи випромінювань, зміщених у бік червоного від дальнього лімба.

Автори моделюють удар і намагаються зіставити спостережену кінематику з їх моделлю. Вони обчислюють яскравість двох ліній випромінювання в кожному спакселлі, щоб визначити, де вони знаходяться вздовж удару і сліду. Потім вони розраховують очікувану швидкість на різних відстанях уздовж удару та хвилі. Різке збільшення негативних швидкостей (зміщених до синього) до позитивних швидкостей (зміщених до червоного) вказує, чи знаходимося ми на ближньому або дальньому лімбі. Вершина удару показує, наскільки добре їхня модель відповідає даним.

Коли чорна діра проходить через навколишнє галактичне середовище, вона залишає за собою тонкий слід гарячого газу. З часом більше газу з навколишнього середовища змішується з цим слідом, що робить його стабільною структурою. Поступово газ охолоджується і стає достатньо щільним, щоб утворювати зірки в сліді.

Вимірюючи кількість світла, що випромінюється слідом, Ван Доккум та його колеги оцінюють, що він містить еквівалент 200 мільйонів сонячних мас у зірках! Це число близьке до загальної кількості газу, яка може змішатися зі слідом протягом його життєвого циклу. Це може свідчити, за словами авторів, про те, що умови в цьому сліді такі, що там може утворитися більше зірок великої маси, ніж зазвичай очікується. Зірки великої маси випромінюють значно більше світла на одиницю маси, що означає, що загальна маса зірок може бути меншою, але все ще виробляти таку ж кількість світла, якщо зоряна популяція містить багато зірок великої маси.

Автори роблять просту оцінку маси супермасивної чорної діри, використовуючи закон збереження енергії. Коли чорна діра проходить через середовище, вона нагріває газ, передаючи частину своєї кінетичної енергії. Вимірюючи енергію, передану середовищу в ударі та сліді, автори встановлюють нижню межу для маси чорної діри на рівні 10 мільйонів сонячних мас. Ця маса є схожою на ту, яку можна було б очікувати, враховуючи масу зірок, що знаходяться в виступі материнської галактики.

Що стосується її швидкості втечі, вона вимірюється з хорошою точністю і становить 954 (±120) км/с, з кутом нахилу 29°. Варто пам'ятати, що існують два основних способи, якими супермасивна чорна діра може бути викинута зі своєї материнської галактики: відштовхування, викликане гравітаційними хвилями під час бінарного злиття, або взаємодії трьох тіл. Коли два чорні діри схожої маси та з протилежним обертанням обертаються один до одного, вони випромінюють більше гравітаційних хвиль в одному напрямку, ніж в іншому. Асиметрія створює силу відштовхування в протилежному напрямку, що означає, що після злиття чорна діра може бути викинута з галактики з дуже великою швидкістю. Подібна конфігурація, ймовірно, є досить рідкісною, але майже всі злиття галактик врешті-решт призводять до злиття чорних дір, тому все ще має існувати популяція чорних дір, викинутих зі своїх галактик через гравітаційний відштовхування, також відомий як «kick». У випадку трьох тіл система, в якій три чорні діри обертаються одна навколо одної, може бути досить нестабільною і призвести до викидання чорної діри з меншою масою з галактики.

Оскільки оцінена маса 10 мільйонів сонячних мас добре відповідає масі зірок у виступі галактики, Ван Доккум та його колеги приходять до висновку, що малоймовірно, що втікаюча чорна діра є найменшою масою, викинутою з трійки. На їхню думку, це, швидше за все, є наслідком події відштовхування, що сталася внаслідок злиття.

Деякі питання залишаються невирішеними стосовно цього унікального об'єкта. Особливо важко остаточно довести, що в цій структурі є чорна діра. Якщо вона існує, ймовірно, вона оточена значно більшою оболонкою гарячого газу, що робить її безпосереднє спостереження неможливим. Але для Ван Доккума та його колег спостереження дуже добре відповідають тому, що можна було б очікувати від супермасивної чорної діри, що втікає, що робить це найбільш переконливим доказом на сьогоднішній день існування такої чорної діри. Безсумнівно, що будуть отримані додаткові дані про цей дивовижний об'єкт, що дозволить дізнатися ще більше.