Чёрные дыры могут миллиарды лет блуждать вдали от центров небольших галактик
Чёрные дыры, находящиеся далеко от центров галактик, могут сохранять информацию о событиях, произошедших миллиарды лет назад. Моделирование показало, что слияния галактик способны смещать массивные чёрные дыры из центральных областей и оставлять их блуждать внутри галактики в течение миллиардов лет. Особенно часто такой эффект должен встречаться в небольших галактиках, где притяжение слабее и возвращение чёрной дыры к центру занимает больше времени.
Учёные использовали крупную космологическую симуляцию ASTRID, которая моделирует совместную эволюцию тёмной материи, газа, звёзд, галактик и чёрных дыр.
Команда исследовала галактики со звёздной массой от 10 миллионов до одного триллиона масс Солнца и проследила их развитие примерно за 12,6 миллиарда лет — от эпохи, соответствующей красному смещению z = 5, до современной Вселенной.
Одно из важных отличий ASTRID состоит в том, что чёрные дыры в модели не удерживаются искусственно в центрах своих галактик. Симуляция рассчитывает их движение под действием гравитации и позволяет им перемещаться после столкновений и слияний галактик. Благодаря этому исследователи смогли отдельно изучить центральные и блуждающие чёрные дыры.
Оказалось, что если учитывать все чёрные дыры независимо от их положения, то в модели они присутствуют почти во всех подходящих галактиках в широком диапазоне масс и эпох. Однако распределение этих объектов существенно меняется со временем.
В небольших галактиках к современной эпохе уменьшается доля систем с чёрной дырой непосредственно в центре и одновременно растёт доля галактик с блуждающими чёрными дырами. Моделирование связывает эту тенденцию прежде всего со слияниями галактик, после которых чёрная дыра одного из участников может оказаться далеко от нового центра.
В массивных галактиках смещённая чёрная дыра сравнительно быстро теряет энергию движения при взаимодействии с окружающим веществом и постепенно опускается к центру. В менее массивных системах этот процесс идёт медленнее, поэтому чёрная дыра может оставаться вдали от ядра очень долго.
Это делает небольшие галактики особенно интересными для исследования происхождения первых чёрных дыр. Согласно современным моделям, первые массивные чёрные дыры выросли из так называемых зародышей. Одни сценарии предполагают сравнительно лёгкие зародыши — остатки первых массивных звёзд. Другие допускают появление значительно более массивных зародышей, например при прямом коллапсе больших облаков первичного газа.
Авторы обнаружили, что если в модели учитывать только потомков первоначально массивных зародышей, то среди маломассивных галактик доля систем с такими чёрными дырами становится заметно меньше. Поэтому наблюдения небольших галактик потенциально могут помочь различить сценарии формирования первых чёрных дыр.
При этом искать только активные ядра галактик недостаточно. Активной чёрная дыра становится тогда, когда поглощает достаточно вещества и ярко излучает. В симуляции доля галактик с активными чёрными дырами значительно ниже реальной доли галактик, содержащих чёрные дыры, особенно в современной Вселенной. Это означает, что наблюдения только активных галактических ядер могут пропускать значительную часть популяции.
Модель выявила и связь с состоянием самих галактик. В современной Вселенной небольшие галактики, продолжающие активно формировать звёзды, чаще содержат блуждающие чёрные дыры, чем центральные. Галактики, в которых звездообразование прекратилось, наоборот, чаще сохраняют чёрную дыру в центральной области.
Авторы предлагают рассматривать местоположение чёрной дыры как своеобразную запись истории её галактики. Количество чёрных дыр может содержать информацию об условиях их первоначального образования, а положение внутри галактики — о последующих слияниях и динамической эволюции.
Проверить эти выводы наблюдениями будет непросто. Блуждающие чёрные дыры обычно поглощают меньше вещества, чем объекты в плотных центрах галактик, поэтому многие из них могут быть очень тусклыми. Для поиска авторы предлагают сочетать глубокие рентгеновские наблюдения, оптическую и инфракрасную спектроскопию, радиотелескопы и регистрацию кратковременных вспышек, возникающих при разрушении звезды чёрной дырой.
Исследование не означает, что во всех небольших галактиках обязательно существуют скрытые блуждающие чёрные дыры. Результаты получены в космологической симуляции и зависят в том числе от заложенных механизмов появления и движения чёрных дыр. Однако работа показывает, что поиск таких объектов за пределами галактических центров может дать независимый способ проверить модели происхождения первых чёрных дыр.
Исследование в журнале The Astrophysical Journal Letters.