Сверхмассивные чёрные дыры и галактики обычно рассматриваются как тесно связанные космические системы. В центрах большинства крупных галактик находятся чёрные дыры массой от миллионов до миллиардов масс Солнца, а наблюдения показывают существование связи между массой центральной чёрной дыры и свойствами окружающей её галактики. Это стало одним из главных аргументов в пользу того, что галактики и их центральные чёрные дыры эволюционируют совместно.
Однако новые наблюдения показывают, что эта связь может быть значительно сложнее, чем считалось. Астрономы обнаружили группу квазаров, в которых центральные сверхмассивные чёрные дыры оказались необычно крупными по сравнению со своими галактиками. В некоторых случаях масса чёрной дыры составляет около 5% массы галактики — примерно в десять раз больше, чем характерное соотношение для большинства подобных систем.
Результаты основаны на изучении более 20 тысяч квазаров. Среди огромной выборки исследователям удалось выделить несколько объектов, явно выбивающихся из общей закономерности. Особенно важно, что некоторые из этих чёрных дыр продолжают активно поглощать вещество. Это означает, что в определённых условиях рост центральной чёрной дыры способен на некоторое время значительно опережать развитие всей галактики.
Почему чёрные дыры и галактики считались связанными
Практически все крупные галактики содержат в своих центрах сверхмассивные чёрные дыры. Исключения существуют, однако отсутствие центральной чёрной дыры может быть связано, например, со сложной историей взаимодействий и столкновений галактик.
Сама по себе чёрная дыра занимает чрезвычайно малую область пространства по сравнению с размерами галактики. Тем не менее её влияние может распространяться далеко за пределы непосредственного окружения. Когда сверхмассивная чёрная дыра активно поглощает газ, вокруг неё формируется яркая область, способная выделять огромное количество энергии.
Часть этой энергии воздействует на газ в центральных областях галактики. В результате активность чёрной дыры может влиять на движение и температуру межзвёздного вещества, а значит — и на условия, необходимые для образования новых звёзд.
Поэтому развитие галактики и рост её центральной чёрной дыры не являются полностью независимыми процессами.
Обычное соотношение масс
Наблюдения показывают, что для многих галактик существует связь между массой центральной сверхмассивной чёрной дыры и массой самой галактики.
В среднем масса сверхмассивной чёрной дыры составляет лишь небольшую долю массы галактики. В рассматриваемом исследовании в качестве характерного соотношения приводится примерно 200 к 1. Иначе говоря, масса центральной чёрной дыры составляет около 0,5% массы галактики.
Это не означает, что абсолютно все галактики строго подчиняются одному и тому же соотношению. Реальные космические объекты отличаются историей формирования, количеством газа, скоростью звездообразования и особенностями взаимодействия с другими галактиками.
Тем не менее общая закономерность настолько заметна, что считается важным свидетельством совместной эволюции галактик и сверхмассивных чёрных дыр.
Именно поэтому обнаружение объектов, серьёзно отклоняющихся от этой зависимости, представляет особый интерес.
Более 20 тысяч квазаров в одном исследовании
Чтобы найти необычные системы, астрономы изучили большую выборку квазаров с использованием данных рентгеновского телескопа eROSITA и других наблюдений.
Квазары являются одними из самых ярких объектов во Вселенной. Их светимость связана не с самой чёрной дырой, поскольку чёрная дыра не излучает свет напрямую. Огромное количество энергии возникает в веществе, которое находится вокруг неё.
Газ и другие материалы, приближаясь к чёрной дыре, образуют вращающуюся структуру. В процессе движения вещество нагревается до чрезвычайно высоких температур и начинает интенсивно излучать энергию в различных диапазонах электромагнитного спектра, включая рентгеновское излучение.
Именно поэтому активные сверхмассивные чёрные дыры можно обнаруживать на огромных космических расстояниях.
Что позволяют изучать квазары
Квазары особенно полезны для исследования роста сверхмассивных чёрных дыр. Их излучение связано с процессом аккреции — падением вещества в область вокруг чёрной дыры.
Чем активнее чёрная дыра получает вещество, тем больше энергии может выделять окружающая её аккреционная структура. Поэтому наблюдения квазаров позволяют исследовать активные этапы жизни сверхмассивных чёрных дыр.
Одновременно астрономы могут изучать и сами галактики, в которых находятся эти объекты. Наблюдения в видимом и инфракрасном диапазонах дают возможность оценивать светимость галактики, связанную с количеством содержащихся в ней звёзд.
Сопоставление характеристик центральной чёрной дыры и звёздной массы галактики позволяет определить, насколько эти две части системы соответствуют обычной зависимости.
Именно такое сравнение выявило группу необычных объектов.
Восемь чёрных дыр оказались слишком массивными
Среди более чем 20 тысяч исследованных квазаров астрономы выделили восемь объектов, заметно отличающихся от основной массы выборки.
В этих системах соотношение массы галактики и массы центральной чёрной дыры оказалось примерно 20 к 1 вместо характерных 200 к 1.
Это означает, что масса чёрной дыры составляет около 5% массы соответствующей галактики.
Разница чрезвычайно велика. При обычном соотношении на одну условную единицу массы чёрной дыры приходится около 200 единиц массы галактики. В необычных системах на ту же массу чёрной дыры приходится только около 20 единиц.
Таким образом, относительно своих галактик эти чёрные дыры примерно в десять раз массивнее, чем можно было бы ожидать на основании распространённой зависимости между массами.
Не просто крупные, но и активно растущие
Особенно интересными оказались три объекта из этой небольшой группы. Они входят в число наиболее ярких квазаров исследованной выборки.
Высокая яркость указывает на интенсивный процесс аккреции. Эти сверхмассивные чёрные дыры продолжают активно получать вещество из окружающей среды.
По оценкам исследователей, при сохранении соответствующих условий некоторые из них могут удвоить свою массу примерно за миллиард лет.
Для сравнения важно учитывать, что речь идёт уже не о небольших чёрных дырах, а о сверхмассивных объектах, находящихся в центрах галактик. Увеличение их массы в два раза означает поглощение огромного количества вещества за космически короткий промежуток времени.
При этом галактика не обязательно увеличивает свою массу с такой же скоростью.
Именно это делает обнаруженные системы важными для понимания эволюции галактик.
Рост чёрной дыры может обгонять развитие галактики
Традиционная картина совместной эволюции предполагает тесную связь между развитием центральной чёрной дыры и окружающей её галактики. Однако связь между двумя процессами не обязательно означает, что они всегда происходят с одинаковой скоростью.
Новые данные показывают, что в определённые периоды чёрная дыра может расти значительно быстрее.
Это не обязательно разрушает саму идею совместной эволюции. Скорее, наблюдения указывают на то, что такая эволюция может происходить неравномерно.
Галактика и её центральная чёрная дыра способны проходить через разные этапы активности. В один период может особенно интенсивно образовываться новое поколение звёзд. В другой — значительное количество газа может направляться в центральные области, обеспечивая быстрый рост сверхмассивной чёрной дыры.
Если эти процессы не всегда синхронизированы, временное нарушение привычного соотношения масс становится возможным.
Почему галактики этих объектов выглядят относительно слабыми
Одной из характерных особенностей обнаруженных систем стала сравнительно низкая светимость их галактик.
Это означает, что такие галактики содержат меньше звёзд, чем можно было бы ожидать для объектов с настолько массивными центральными чёрными дырами.
Именно поэтому необычное соотношение масс может выглядеть столь резко. Чёрные дыры не обязательно являются абсолютно крупнейшими среди всех известных объектов такого типа, однако их галактики оказались недостаточно массивными по сравнению с обычными системами.
Перед астрономами возникает важный вопрос: являются ли эти галактики временно отстающими в своём развитии или активность центральных чёрных дыр каким-либо образом влияет на их дальнейший рост?
Современных наблюдений пока недостаточно, чтобы окончательно выбрать между этими вариантами.
Два возможных сценария дальнейшей эволюции
Обнаруженные системы могут находиться на промежуточном этапе своей истории. Существует несколько возможных направлений дальнейшего развития, но новые данные пока не позволяют определить, какой из них реализуется в каждом конкретном случае.
Галактика может продолжить наращивать звёздную массу
Один из вариантов заключается в том, что необычно крупная чёрная дыра успела вырасти быстрее, но галактика впоследствии может частично сократить это отставание.
Если в галактике сохранится или появится достаточное количество холодного газа, из него могут продолжать формироваться новые звёзды. В течение длительного времени звёздная масса галактики будет увеличиваться.
В таком случае соотношение между массой галактики и массой центральной чёрной дыры может постепенно приблизиться к более типичным значениям.
Подобный сценарий хорошо согласуется с представлением о том, что галактики и чёрные дыры могут развиваться совместно, но не обязательно синхронно на каждом этапе своей истории.
Рост чёрной дыры может изменить будущее галактики
Другой вариант связан с тем, что активная сверхмассивная чёрная дыра способна влиять на окружающий газ.
Активное ядро галактики может выделять огромное количество энергии. Это излучение и связанные с ним процессы способны изменять состояние газа, который является основным материалом для формирования новых звёзд.
Если газ нагревается или удаляется из областей, где могло бы происходить звездообразование, скорость появления новых звёзд может уменьшиться.
В таком случае чёрная дыра фактически продолжит увеличиваться, одновременно создавая условия, при которых галактике становится сложнее быстро наращивать свою звёздную массу.
Однако для конкретных объектов из новой выборки пока недостаточно данных, чтобы утверждать, какой именно механизм определяет их дальнейшую эволюцию.
Почему обычная связь между массами всё равно существует
Обнаружение необычных объектов не означает, что установленная связь между массами галактик и сверхмассивных чёрных дыр является случайностью.
Напротив, существование общей зависимости подтверждается огромным количеством наблюдений. Однако новая работа показывает, что эта зависимость не описывает одинаковое состояние всех галактик во все моменты времени.
Вероятнее всего, связь между ростом чёрной дыры и развитием галактики формируется на больших временных масштабах.
Отдельные этапы могут существенно отличаться друг от друга. Чёрная дыра способна быстро увеличиваться во время периода интенсивного поступления вещества. Затем её активность может снизиться. За это время галактика может продолжать формировать звёзды и увеличивать свою массу.
В других случаях, наоборот, интенсивное звездообразование может происходить быстрее, чем рост центральной чёрной дыры.
Общая зависимость между массами может быть результатом длительного взаимодействия этих процессов, а не следствием постоянного равномерного роста.
Что такое обратная связь между чёрной дырой и галактикой
Одним из ключевых понятий в современной астрофизике является обратная связь между активной сверхмассивной чёрной дырой и её галактикой.
Чёрная дыра получает вещество из окружающей среды. В процессе аккреции выделяется энергия. Эта энергия воздействует на окружающий газ.
Если воздействие становится достаточно сильным, оно способно изменить количество холодного газа, доступного для дальнейшего падения к центру галактики. Таким образом, рост чёрной дыры может в определённой степени влиять на собственный источник вещества.
Одновременно тот же газ необходим галактике для образования новых звёзд.
Поэтому процессы роста чёрной дыры и звездообразования оказываются связанными через общий запас вещества.
Однако эта система значительно сложнее простой схемы, в которой один процесс автоматически определяет другой. Газ в галактике может поступать из межгалактического пространства, перемещаться внутри галактики, охлаждаться, нагреваться и участвовать в столкновениях.
Кроме того, на развитие галактики влияют её взаимодействия с другими галактиками.
Новые наблюдения особенно ценны именно потому, что показывают существование систем, где привычное равновесие между ростом галактики и ростом центральной чёрной дыры временно нарушено.
Квазары позволяют увидеть активную фазу эволюции
Большинство сверхмассивных чёрных дыр невозможно наблюдать непосредственно. Их размеры по космическим меркам очень малы, а сама чёрная дыра не испускает свет, который можно было бы увидеть обычным телескопом.
Однако активные чёрные дыры создают вокруг себя чрезвычайно яркие области.
Когда большое количество газа движется к центру, оно образует горячую аккреционную структуру. Трение и другие процессы приводят к выделению огромного количества энергии.
Благодаря этому квазары становятся своеобразными маяками, позволяющими обнаруживать активно растущие сверхмассивные чёрные дыры.
Рентгеновское излучение как инструмент поиска
Рентгеновские наблюдения особенно полезны для изучения активных ядер галактик.
Высокоэнергетическое излучение связано с экстремальными условиями в непосредственной близости от сверхмассивной чёрной дыры. Поэтому рентгеновские обзоры позволяют обнаруживать большое количество активных объектов и сравнивать их свойства.
Использование данных eROSITA позволило создать очень большую выборку квазаров. Именно масштаб исследования оказался одним из ключевых факторов обнаружения редких объектов.
Если бы астрономы изучали лишь несколько десятков или сотен систем, вероятность обнаружить небольшую группу необычных чёрных дыр была бы значительно ниже.
Большие обзоры не только подтверждают известные закономерности, но и позволяют находить редкие исключения, которые могут оказаться особенно важными для понимания физических процессов.
Необычные чёрные дыры могут быть частью более крупной популяции
Восемь особенно заметных объектов были обнаружены среди огромной выборки, однако сама работа указывает на существование более широкой популяции сверхмассивных чёрных дыр, массы которых относительно велики по сравнению с массами их галактик.
Это важный момент для дальнейших исследований.
Если подобные системы встречаются регулярно, а не являются несколькими уникальными исключениями, модели совместной эволюции галактик и чёрных дыр должны учитывать периоды, когда их развитие может значительно расходиться.
В таком случае астрономам необходимо будет определить, при каких условиях начинается ускоренный рост центральной чёрной дыры.
Возможными факторами могут быть количество доступного газа, структура центральных областей галактики, взаимодействия с другими галактиками и особенности процессов, регулирующих поступление вещества к чёрной дыре.
Для окончательных выводов потребуется больше наблюдений.
Почему открытие важно для истории галактик
Современная картина Вселенной во многом строится на идее взаимосвязи космических структур разных масштабов.
Сверхмассивная чёрная дыра занимает центральную область галактики, но процессы вокруг неё могут быть связаны с эволюцией системы, размеры которой измеряются десятками и сотнями тысяч световых лет.
Галактика поставляет газ в центральные области. Чёрная дыра поглощает часть этого вещества. Активность вокруг чёрной дыры выделяет энергию, которая способна воздействовать на окружающую среду. В свою очередь, состояние этой среды определяет возможности для дальнейшего роста и чёрной дыры, и самой галактики.
Новые наблюдения показывают, что этот механизм нельзя сводить к постоянному поддержанию одного и того же соотношения масс.
В истории отдельных галактик могут существовать периоды, когда центральная чёрная дыра развивается особенно быстро и временно оказывается значительно массивнее ожидаемого значения.
Другие этапы могут компенсировать это различие.
Что предстоит выяснить дальше
Главный вопрос теперь заключается в том, почему некоторые сверхмассивные чёрные дыры получают возможность расти значительно быстрее своих галактик.
Для ответа потребуется более подробное изучение самих необычных систем. Астрономам необходимо определить количество газа в этих галактиках, скорость образования новых звёзд и характеристики среды вокруг активных ядер.
Не менее важно понять, насколько долго сохраняется необычное соотношение масс.
Возможно, такие объекты представляют короткую фазу эволюции, после которой галактика продолжает расти и постепенно приближается к более привычному соотношению с центральной чёрной дырой.
Другой вариант заключается в том, что некоторые сверхмассивные чёрные дыры действительно способны надолго изменить траекторию развития своих галактик.
Современные наблюдения пока не позволяют сделать окончательный вывод. Но уже ясно, что совместная эволюция галактик и чёрных дыр не является простым процессом с одинаковой скоростью роста.
Обнаруженные квазары показывают, что космическая связь между галактикой и её центральной чёрной дырой может сохраняться на протяжении миллиардов лет, одновременно допуская периоды значительного дисбаланса. В определённые моменты истории Вселенной чёрная дыра способна расти значительно быстрее окружающей её галактики — и именно такие редкие системы могут помочь понять, как формировались крупнейшие чёрные дыры современного космоса.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
