Виявлення порожнини в центрі гігантської галактики, спричиненої ультрамасивною чорною діркою

Команда астрофізиків нещодавно підтвердила існування порожнини розміром приблизно в один кілопарсек у розподілі зірок центральної галактики скупчення A402. Дані, отримані за допомогою телескопів Webb та Hubble, виявили сплюснуте галактичне ядро, на якому накладається ця порожнина, що свідчить про наявність ультрамасивної чорної дірки з масою близько 50 мільярдів M⊙, яка, ймовірно, є причиною її формування. Дослідження також вказує на наявність другого кандидата на роль чорної дірки з масою, що знаходиться по інший бік порожнини, з відносною швидкістю 370 км/с. Якщо це підтвердиться, це свідчитиме про існування бінарної системи ультрамасивних чорних дірок, відстань між якими становить кілька кілопарсеків, з загальною масою 60 мільярдів M⊙. Це зробить її найбільш масивною бінарною системою чорних дір, виявленою на сьогодні. Результати дослідження опубліковані в The Astrophysical Journal.

Спостережувана порожнина відповідає приблизно 20 мільярдам M⊙ відсутніх зірок у обсязі 0,5 kpc³. Майкл Макдональд (MIT) та його колеги припускають, що ця унікальна порожнина зірок є результатом динамічної взаємодії короткочасного характеру між принаймні однією ультрамасивною чорною діркою та навколишнім зоряним полем. Вони вважають, що ця взаємодія може бути наслідком трьохтілової дифузії під час зміцнення бінарної системи або ж індукції дипольної нестабільності у зоряному полі.

Варто зазначити, що в центрах найбільш масивних галактик Всесвіту, зокрема гігантських еліптичних галактик, профілі яскравості сплющуються, формуючи центральну область з постійною поверхневою яскравістю. Однак існування такого зоряного ядра не передбачено сучасними моделями формування масивних галактик у Всесвіті ΛCDM. Це вказує на те, що існує вторинний механізм, відповідальний за видалення зірок з внутрішніх областей високої щільності. З огляду на масу видалених зірок, найімовірнішою гіпотезою є процес злиття пари ультрамасивних чорних дірок. Згідно з класичною моделлю формування структур, масивні галактики формуються переважно шляхом злиття з меншими галактиками. Оскільки всі галактики містять центральну ультрамасивну чорну дірку, злиття чорних дірок також має бути поширеним явищем. Особливо в більш ранні епохи, масивні галактики, що знаходяться в центрах скупчень, повинні бути місцем активних подій злиття.

Щоб дві ультрамасивні чорні дірки злилися, вони спочатку повинні втратити достатню кількість орбітального моменту, щоб зменшити свою орбітальну відстань до рівня, на якому випромінювання гравітаційних хвиль може забрати залишкову орбітальну енергію за час, менший за вік Всесвіту. Хоча такі гравітаційні хвилі, що виникають внаслідок злиття бінарної системи ультрамасивних чорних дірок, ще не були виявлені, NANOGraV та інші експерименти з таймінгу пульсарів нещодавно продемонстрували існування фону стохастичних гравітаційних хвиль, що виникають внаслідок колективного злиття бінарних чорних дірок у галактичних ядрах. Вважається, що початкова фаза цього процесу, до того як гравітаційні хвилі стануть значними, пов'язана з трьохтіловою дифузією між двома чорними дірами та зірками, що призводить до "очищення" зірок і темної матерії в внутрішньому шарі найбільш масивних галактик на відстані близько одного кілопарсека. Цей дефіцит зірок може ще більше посилитися, якщо злиття чорних дірок індукує відштовхування на залишкову чорну діру, що дуже часто відбувається. Це б віддалило ультрамасивну чорну діру від центру гравітаційного потенціалу та призвело б до швидкого розширення орбіт зірок за нею.

Такі розпливчасті та великі ядра вже спостерігалися в розподілі зірок кількох масивних галактик, і було запропоновано, що фізичний розмір спостережуваного ядра безпосередньо пов'язаний з масою чорної діри, яка його, ймовірно, створила. Дійсно, маса деяких з найбільш масивних ультрамасивних чорних дірок була виведена з розміру центральних областей, які вони вирили в світловому профілі своїх галактик-господарів. Ця залежність базується на припущенні, що ядро сформувалося внаслідок динамічних взаємодій між парою ультрамасивних чорних дірок під час або після злиття. Незважаючи на значні спостережні зусилля, спрямовані на вивчення ядер масивних галактик, і з теоретичної точки зору для прогнозування механізмів їх формування, ця модель залишалася до сьогодні мало підкріпленою безпосередніми спостереженнями. Єдиною системою, для якої була безпосередньо виявлена бінарна чорна діра, що змінює розподіл зірок, є NGC 5419, виявлена Б. Нойрайтером та ін. у 2023 році. У цій системі дві дуже близькі точкові джерела, здається, викликають кінематичні порушення у розподілі зірок, що призводить до формування сплюснутого ядра. Крім того, ці великі сплюснуті зоряні ядра можуть бути динамічно нестабільними, як показали S. Даттатхрі та ін. у 2025 році, що призводить до постійного диполя в розподілі зірок.

Макдональд та його колеги проаналізували спостереження центральної галактики A402, яка є масивним скупченням галактик, розташованим на червоному зсуві z = 0,322. Порожнину, яку вони спостерігають за допомогою Webb, було раніше зафіксовано А. Реппом та Г. Ебелінгом у 2018 році на основі спостережень телескопа Hubble. Тоді її інтерпретували як область пилу поблизу галактичного центру. Але завдяки даним зображення Nircam від Webb, дослідники надають сьогодні переконливі докази того, що це насправді відсутність зірок, і, отже, пропонують, що це, ймовірно, є наслідком динамічних взаємодій, пов'язаних із злиттям пари ультрамасивних чорних дірок.

Окрім цієї "зоряної порожнини", Макдональд та його колеги виявили, що центральна галактика A402 має надзвичайно розширене дифузне ядро з радіусом розриву 2,2 kpc, на якому накладається порожнина. Для них таке велике ядро, ймовірно, сформувалося під час минулого злиття ультрамасивних чорних дірок, залишаючи залишок масою близько 50 мільярдів M⊙. Ця "ультрамасивна" чорна діра з'являється на західному краю зоряної порожнини як яскраве точкове джерело в середньому інфрачервоному діапазоні та збігається з активним галактичним ядром, ідентифікованим за допомогою MUSE. А на східному краю порожнини астрофізики також знаходять докази наявності другого активного галактичного ядра, засновані на сильному локалізованому випромінюванні  iii]. Ці два AGN мають відносну швидкість 370 км/с, що дозволяє дослідникам розрахувати комбіновану масу бінарної системи. Вони знаходять рекордне значення в 60 мільярдів M⊙.

Макдональд та його колеги мають вагомі підстави стверджувати, що зоряна порожнина формується внаслідок постійної динамічної взаємодії зоряного ядра з ультрамасивними чорними дірами, що обертаються. Це твердження підкріплено доказами, отриманими в оптичному та рентгенівському діапазонах, про нещодавнє злиття на галактичному масштабі, а також спостереженням двох джерел з емісійними лініями з обох боків порожнини, що відповідають бінарному активному галактичному ядру. Розмір порожнини та відносні швидкості двох передбачуваних AGN узгоджуються з теоріями, що існують десятиліттями, про ерозію зоряних ядер ультрамасивними (або просто масивними) чорними дірами, що обертаються.

Ця система пропонує модель для нового явища, яке слід шукати в поточних і майбутніх спостереженнях. Виявлення інших подібних джерел сприятиме зміцненню нинішніх прогнозів про мульти-канальні сигнали для джерел майбутнього детектора LISA, для яких часова шкала та частота злиття залишаються основними невизначеностями.

У майбутньому, великі огляди, проведені за допомогою космічних телескопів Euclid та Roman, а також архівні огляди Hubble та Webb, ймовірно, дозволять виявити подібні системи, надаючи оцінку часової шкали злиття ультрамасивних чорних дірок на основі частоти спостереження таких систем. Одночасно цілеспрямоване спостереження цієї унікальної системи з використанням найпотужніших телескопів дозволить глибше зрозуміти природу активного галактичного ядра в цій системі та динаміку зірок у та навколо порожнини.