Новый способ измерения космических черных дыр
AstroNews.ru - 11 Декабря 2019 22:19:44
Сверхмассивные черные дыры - это самые большие черные дыры, масса которых может превышать миллиард Солнц. Только этой весной было получено первое в мире изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики Мессье-87, а исследователи недавно обнаружили самую большую сверхмассивную черную дыру из когда-либо замеченных. Несмотря на эти новаторские открытия, выяснить, как эти черные дыры определяют форму и структуру галактики, остается сложной задачей, потому что большинство из них находятся слишком далеко, чтобы современные телескопы могли точно их рассмотреть.
Исследование, опубликованное в Nature Astronomy, описывает новый способ «взвешивания» сверхмассивных черных дыр в центрах галактик с использованием расстояний между соседними галактиками в качестве промежуточного звена. Исследование было глобальным сотрудничеством с участием исследователей из учреждений в Великобритании, Италии, Германии, Чили и Соединенных Штатах, включая преподавателей из Пенсильвании Марианжела Бернарди и Рави Шет.
Получение точной оценки массы сверхмассивных черных дыр обычно осуществляется путем измерения скорости пыли и газа, которые циркулируют вокруг нее. Это требует использования чрезвычайно чувствительных телескопов с использованием комплексного анализа и это может быть сделано только для черных дыр, которые достаточно велики и относительно близки к Земле. Однако, если эта масса коррелирует с другими свойствами галактики-носителя, которые могут быть измерены даже тогда, когда черная дыра меньше или находится дальше, то можно использовать эти другие свойства в качестве "промежуточного звена" для массы.
Тем не менее, объясняет Бернарди: «Мы поняли, что в соседнем образце есть систематическая ошибка, но мы использовали его для калибровки масс. Объекты, для которых мы в настоящее время способны измерять массы, не кажутся типичными. Наша работа показала, что сверхмассивные черные дыры в среднем не так массивны, как считалось ранее".
Чтобы проверить эту разницу в массе, исследователи разработали новый и совершенно другой способ оценки масс черной дыры. Они использовали тот факт, что, хотя черная дыра окружена галактикой, сама галактика окружена еще большим «гало» из темной материи. Известно, что галактики, которые окружены более массивными гало, объединяются с другими большими, массивными галактиками. Так как более массивные черные дыры существуют в более массивных галактиках, которые имеют более массивные гало, то сила скопления фактически содержит вес гало из темной материи и массы черных дыр в их центрах.
Это новое измерение также предполагает, что сверхмассивные черные дыры менее массивны, чем предполагалось ранее, и может объяснить, почему некоторые продолжающиеся эксперименты не дали ожидаемых результатов. Например, пульсары, остатки взорвавшихся звезд, сияют как очень быстро вращающиеся маяки, которые вращаются сотни раз в секунду. Свет от пульсаров излучается с невероятно короткими регулярными интервалами, когда луч от них снова и снова проходит мимо Земли. Исследователи в настоящее время ищут гравитационные волны, вызванные столкновением двух сверхмассивных черных дыр, которые должны заставить эти лучи качаться, когда волна проходит мимо и влияет на точную частоту импульсов.
Поскольку ожидаемые сдвиги еще не были замечены, говорит Шет, «Люди начали беспокоиться, что возможно гравитация странная, или, может быть мы не до конца понимаем физику слияний черных дыр, которые создают гравитационные волны. Но если это настоящая черная дыра» меньшей массы, чем предполагалось ранее, тогда предсказанные гравитационные волны будут слабее, что затруднит обнаружение сдвигов в частоте пульсара».
Ожидается, что в ближайшие 10 лет новые телескопы смогут получить более точные измерения массы для черных дыр и предоставить исследователям возможность протестировать свой новый метод на основе больших наборов данных. Такие объекты, как «Исключительно большой телескоп», 39-метровый проект которого планируется завершить в 2025 году, могут позволить исследователям непосредственно измерять более мелкие и более удаленные черные дыры и их галактики.
«Эти результаты имеют важное значение для нашего понимания эволюции и роста сверхмассивных черных дыр» , - говорит ведущий автор Франческо Шанкар. Бернарди добавляет, что эта работа также позволит исследователям продолжить изучение связи между ростом сверхмассивной черной дыры и развитием галактик.