В 1964 году астрономы открыли первую чёрную дыру. Она называется Cygnus X-1, и доказательства её существования были обнаружены рентгеновскими детекторами на суборбитальной зондирующей ракете. Cygnus X-1 находится на расстоянии около 7 300 световых лет от нас и имеет массу около 21 солнечных. С тех пор астрономы открывали все более массивные чёрные дыры, в том числе сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД) в центре крупных галактик, таких как наша.

Теперь астрономы обнаружили самую массивную чёрную дыру из когда-либо наблюдавшихся. Об этом открытии сообщается в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Исследование называется «Раскрытие чёрной дыры массой 36 миллиардов солнечных масс в центре гравитационной линзы Космической подковы», а его ведущим автором является кандидат наук Карлос Мело из Федерального университета Рио-Гранде-ду-Сул в Бразилии.

Судя по всему, чем массивнее галактика, тем массивнее чёрная дыра в её центре. Недавно открытый сверхмассивный объект находится в галактике «Космическая подкова», которая является одной из самых массивных галактик, когда-либо обнаруженных. Космическая подкова — одна из немногих гравитационных линз с почти полным кольцом Эйнштейна, а не просто дугами, которые демонстрируют большинство других колец Эйнштейна.

«Это одна из 10 самых массивных чёрных дыр, когда-либо обнаруженных, и, вполне возможно, самая массивная», — говорит Томас Коллетт, профессор и исследователь из Портсмутского университета.

Определение массы чёрной дыры — непростое занятие. Авторы новостных заголовков могут делать подобные заявления, но учёные гораздо более осмотрительны. Они знают, что каждое заявление о массе чёрной дыры сопровождается оговорками о том, как она была измерена. Но в данном случае они достаточно уверены.

При массе 36 миллиардов солнечных масс эта сверхмассивная чёрная дыра определённо входит в десятку самых массивных чёрных дыр из когда-либо обнаруженных. Она даже может оказаться самой массивной из всех. Проблема заключается в том, как измеряются различные массы чёрных дыр.

«Большинство других измерений массы чёрных дыр являются косвенными и имеют довольно большие погрешности, поэтому мы не знаем наверняка, какая из них самая большая», — сказал Коллетт в пресс-релизе. «Однако благодаря нашему новому методу мы получили гораздо больше уверенности в массе этой чёрной дыры».

Звёздная кинематика — движение звёзд вблизи чёрной дыры — считается самым точным способом определения массы чёрной дыры. Именно она помогла астрономам определить массу СМЧД Млечного Пути, звезды Стрелец A*. Группа звёзд, вращающихся вокруг звезды, называется S-звёздами. Их высокие скорости и близость к СМЧД позволили астрономам определить массу звезды Стрелец A*: около 4,3 миллиона солнечных масс.

Звёздная кинематика отлично работает для близких СМЧД, таких как в нашей галактике. Но чем дальше СМЧД, тем с большими трудностями сталкивается звёздная кинематика. Изображения далёких галактик настолько малы, что отследить орбиты отдельных звёзд практически невозможно. Вот тут-то и приходит на помощь гравитационное линзирование.

Когда массивный объект на переднем плане оказывается на одной линии с более далёким объектом, гравитация объекта переднего плана усиливает свет от объекта заднего плана — она искажает путь света от далёкого объекта.

«Мы обнаружили влияние чёрной дыры двумя способами: она изменяет путь света, проходящего мимо неё, и заставляет звёзды во внутренних областях галактики-хозяина двигаться чрезвычайно быстро (почти 400 км/с)», — говорит профессор Коллетт. «Соединив эти два измерения, мы обретаем полную уверенность в том, что чёрная дыра существует».

СМЧД легче обнаружить, когда они активно аккрецируют вещество и испускают мощное излучение. Астрономы называют это активными галактическими ядрами (АГЯ), а самые яркие из них — квазарами. АГЯ и квазары испускают своё излучение во всём спектре, особенно в рентгеновских лучах, и это делает их видимыми с больших расстояний. Но когда они находятся в состоянии покоя, их крайне сложно обнаружить. Благодаря гравитационной линзе «Космическая подкова» эта спящая чёрная дыра стала видимой.

Ведущий автор работы Мело сказал: «Это открытие было сделано для „спящей“ чёрной дыры — той, которая в момент наблюдения не ведёт активной аккреции вещества. Её обнаружение основывалось исключительно на её огромном гравитационном притяжении и влиянии, которое она оказывает на окружающее пространство».

Астрономы смогли не только обнаружить чёрную дыру, но и измерить её массу.

«Особенно интересно то, что этот метод позволяет нам обнаружить и измерить массу этих скрытых сверхмассивных чёрных дыр во всей Вселенной, даже когда они ведут себя тихо», — сказал Мело.

Когда далёкие чёрные дыры становятся активными галактическими ядрами, у астрофизиков появляется материал для работы. Свойства их излучения позволяют учёным оценить скорость их аккреции, что приводит к оценке их массы. Этот метод не даёт полной определённости, поэтому существует неопределённость в вопросе о том, какая СМЧД является самой массивной.

«Как правило, для таких удалённых систем измерения массы чёрной дыры возможны только во время её активности», — говорит Мело. «Но эти оценки, основанные на аккреции, часто сопровождаются значительными неопределённостями. Наш подход, сочетающий сильное линзирование со звёздной динамикой, предлагает более прямое и надёжное измерение, даже для таких удалённых систем».

Астрофизики почти уверены, что масса галактики и масса её СМЧД связаны между собой. Было бы удивительно, если бы это было не так.

«Мы считаем, что размер обеих галактик тесно связан, — добавил профессор Коллетт, — потому что когда галактики растут, они могут сбрасывать материю на центральную чёрную дыру. Часть этой материи увеличивает чёрную дыру, но большая её часть светится в невероятно ярком источнике, называемом квазаром. Эти квазары выбрасывают огромное количество энергии в галактики-хозяева, что останавливает конденсацию газовых облаков в новые звёзды».

Существует значительная корреляция между массой СМЧД и дисперсией скоростей звёзд в центральном балдже галактики. Самые массивные чёрные дыры встречаются в галактиках, где эти звёзды движутся быстрее, что интуитивно понятно. Существует также связь между массой чёрной дыры и суммарной массой звёздного балджа. Эти взаимосвязи позволяют предположить, что эволюция чёрных дыр и галактик связаны между собой.

Однако чёрная дыра в Космической подкове кажется более массивной, чем должна быть, согласно дисперсии звёздных скоростей галактики. Авторы говорят, что это отклонение от нормы, и что она кажется «слишком массивной для эффективной дисперсии скоростей принимающей галактики». Она не единственная, и «это отклонение в сторону массивности, вероятно, отражает различные эволюционные пути во время формирования этих галактик», — пишут они.

Масса СМЧД позволяет предположить, что она является частью ископаемой группы галактик. Ископаемые группы начинаются с нескольких крупных галактик. За миллиарды лет самая массивная галактика в группе начинает гравитационно доминировать над остальными. В конце концов она захватывает остальные и сливается с ними, образуя одну чрезвычайно массивную галактику.

Авторы пишут, что масса СМЧД представляет собой «уникальную историю эволюции Космической подковы, которая, вероятно, является частью ископаемой группы», которую мы наблюдаем в том виде, в котором она существовала около 4,8 миллиарда лет назад. «Центральные галактики ископаемых групп, являющиеся остатками ранних слияний галактик, могут идти по отличным от местных галактик эволюционным путям, что потенциально объясняет высокую массу СМЧД».

«Вполне вероятно, что все сверхмассивные чёрные дыры, которые изначально находились в галактиках-компаньонах, теперь также слились и образовали сверхмассивную чёрную дыру, которую мы обнаружили», — говорит профессор Коллетт. «Таким образом, мы наблюдаем конечное состояние формирования галактик и конечное состояние формирования чёрных дыр».

Такой уровень анализа стал возможен только благодаря Космической подкове и её почти полному кругу, который исследователи называют радиальной дугой. Будущие телескопы найдут их ещё больше, что, как мы надеемся, приведёт к лучшему пониманию СМЧД и галактик, в которых они обитают.

«Ожидается, что радиальные дуги, подобные изученной здесь, будут встречаться все чаще. Надеемся, что миссия „Евклид“» обнаружит сотни тысяч линз в течение следующих 5 лет, а Чрезвычайно Большой Телескоп произведёт революцию в нашей способности проводить детальные динамические исследования», — объясняют исследователи в своей статье.

«Сочетание линзирования и динамики звёзд вскоре позволит получить беспрецедентную выборку галактик, что даст нам очень интересные сведения о звёздных популяциях, гало тёмной материи и СМЧД в более широком диапазоне красных смещений, чем когда-либо прежде», — заключают авторы.