Астрономы обнаружили чёрную дыру в 3500 световых годах от центра галактики благодаря разрушенной звезде

Международная группа астрономов обнаружила массивную чёрную дыру, расположенную примерно в 3500 световых годах от центра своей галактики. Найти её удалось благодаря яркой вспышке, возникшей после того, как чёрная дыра разрушила приблизившуюся к ней звезду. Новые наблюдения позволили уточнить положение объекта, оценить его массу и обнаружить необычное радиоизлучение, появившееся спустя почти три года после первоначальной вспышки.

Результаты исследования представила международная группа учёных под руководством астрофизика Итая Сфаради из Калифорнийского университета в Беркли. В работе использовались данные нескольких наземных и космических обсерваторий, включая телескоп «Хаббл», рентгеновские обсерватории Chandra и XMM-Newton, космический телескоп Swift и радиоинтерферометр Very Large Array.

Большинство массивных галактик содержат в своих центральных областях сверхмассивные чёрные дыры. Их масса может превышать солнечную в миллионы или миллиарды раз. Однако астрономы предполагают, что некоторые массивные чёрные дыры находятся далеко от галактических центров, например вследствие столкновений и слияний галактик.

Обнаружить такие объекты непросто. Чёрные дыры не испускают собственного света, а при отсутствии окружающего вещества, которое они могут поглощать, становятся практически невидимыми для телескопов. Одним из способов их обнаружения служат события приливного разрушения звёзд.

Такое событие возникает, когда звезда проходит слишком близко к чёрной дыре. Из-за большой разницы в силе гравитационного притяжения, действующей на ближнюю и дальнюю стороны звезды, она может быть разорвана на потоки горячего вещества. Часть этого материала остаётся связанной с чёрной дырой и постепенно падает на неё, создавая мощное излучение, заметное на огромных расстояниях.

Именно подобную вспышку, получившую обозначение TDE 2023mfm, впервые зарегистрировала автоматическая система наблюдений Zwicky Transient Facility 28 июня 2023 года. Первоначально астрономы зафиксировали увеличение яркости объекта в видимом диапазоне. Последующие наблюдения показали, что источник обладает характерными признаками разрушения звезды массивной чёрной дырой.

Яркость вспышки постепенно увеличивалась, достигла максимума, а затем начала снижаться. В течение почти 48 суток после достижения пика она оставалась выше половины максимального значения. Анализ видимого и ультрафиолетового излучения показал, что его эффективная температура составляла около 22 тысяч кельвинов, или примерно 21 700 градусов Цельсия.

При этом спектроскопические наблюдения выявили широкую линию излучения водорода, характерную для определённой группы событий приливного разрушения. Вместе с длительным сохранением высокой температуры и голубоватой окраской вспышки этот признак позволил исследователям отличить событие от других типов космических взрывов.

Наиболее интересной особенностью TDE 2023mfm оказалось его положение. Изображения высокого разрешения, полученные телескопом «Хаббл» и радиоинтерферометром Very Large Array, показали, что источник находится не в центре галактики, а на заметном расстоянии от него.

Согласно измерениям, угловое смещение составляет около 0,66 угловой секунды. С учётом расстояния до галактики это соответствует примерно 3500 световым годам. Речь идёт о расстоянии в проекции на небесную плоскость, поэтому фактическое пространственное расстояние между чёрной дырой и центром галактики может быть больше.

По результатам нескольких независимых методов оценки исследователи установили, что масса обнаруженной чёрной дыры составляет приблизительно от одного до десяти миллионов масс Солнца. Таким образом, речь идёт о массивном объекте, способном находиться вне центральной области своей галактики.

Возник вопрос о происхождении столь необычной системы. Одно из возможных объяснений связано с древним столкновением двух галактик. Если большая галактика поглотила меньшую, находившаяся в центре последней чёрная дыра могла остаться в её внешних областях после разрушения большей части родительской звёздной системы.

В пользу такого сценария свидетельствует слабый звёздный источник, обнаруженный телескопом «Хаббл» примерно в том же месте, где произошла вспышка. Исследователи оценивают его звёздную массу в 10–100 миллионов масс Солнца. Возможно, это остаток небольшой галактики, которая потеряла значительную часть своих звёзд во время взаимодействия с более крупной соседкой.

Рассматривались и другие механизмы появления чёрной дыры вдали от галактического центра. Например, взаимодействие нескольких чёрных дыр может привести к выбросу одной из них из центральной области. Слияние двух чёрных дыр также способно сопровождаться отдачей вследствие несимметричного излучения гравитационных волн.

Однако наблюдения показывают, что в центре исследуемой галактики уже находится другая массивная чёрная дыра, проявляющая себя как слабое активное галактическое ядро. Наличие двух таких объектов делает сценарий поглощения небольшой галактики особенно интересным, хотя точная история системы пока неизвестна.

Дополнительную загадку создали наблюдения в радиодиапазоне. Вскоре после оптической вспышки астрономы не обнаружили заметного радиоизлучения, связанного с TDE 2023mfm. Оно было впервые зарегистрировано примерно через 991 сутки после максимума оптической яркости, то есть более чем через два с половиной года.

В отличие от некоторых других случаев разрушения звёзд чёрными дырами, появившийся радиосигнал оказался относительно слабым и изменялся медленно. Исследователи предполагают, что его источником мог стать выброс вещества, взаимодействующий с окружающим газом. Однако имеющихся наблюдений пока недостаточно, чтобы определить происхождение излучения.

Важную роль могут играть плотность окружающей среды и направление движения выброшенного вещества относительно Земли. Кроме того, радиоизлучение могло быть связано с потоком вещества, возникшим значительно раньше, но ставшим доступным для наблюдения лишь спустя продолжительное время.

Чтобы уточнить механизм радиоизлучения, астрономы планируют использовать наблюдения с особенно высоким угловым разрешением. Они позволят оценить размеры радиоисточника и проследить его изменения. Это поможет выяснить, связан ли сигнал с движущимся выбросом вещества и как он взаимодействует с окружающей средой.

Исследование TDE 2023mfm показывает, что разрушение звёзд может служить способом обнаружения массивных чёрных дыр, скрывающихся вдали от центров галактик. Поиск подобных событий поможет учёным лучше понять последствия галактических столкновений и выяснить, насколько часто массивные чёрные дыры оказываются за пределами своих обычных областей расположения.

Исследование опубликовано на сервере arXiv.