Учёными обнаружена чрезвычайно мощная чёрная дыра

Астрономы использовали рентгеновскую орбитальную обсерваторию Чандра и несколько других телескопов, чтобы изучить одну из мощнейших известных черных дыр. Она образовала гигантские структуры в окружающем её раскалённом газе, что не позволило сформироваться триллионам звёзд.

Данная черная дыра находится в центральной области скопления галактик RX J1532.9+3021 (или кратко RX J1532), удалённого от Земли примерно на 3,9 миллиарда световых лет. Её изображение составлено из рентгеновских данных от телескопа Чандра, показывающих горячий фиолетовый газ в скоплении, и оптических данных от орбитального телескопа Хаббл, на которых видны галактики желтого цвета. Скопление имеет большую яркость в рентгеновском спектре, это подразумевает, что оно чрезвычайно массивное, с массой примерно в квадриллион (тысячу триллионов) раз больше солнечной. В центре кластера находится крупная эллиптическая галактика, содержащая сверхмассивную черную дыру.

Большое количество раскалённого газа вблизи центра галактического скопления представляет собой загадку. Светящийся в рентгене горячий газ должен остывать, а плотный газ в центральной области скопления должен охлаждаться гораздо быстрее. Давление прохладного газа ближе к центру кластера обычно понижается, в результате этого газ перемещается далее в сторону центральной галактики, образуя на своём пути триллионы звёзд. Однако, учёные не нашли никаких доказательств подобного всплеска звездообразования в центре данного скопления.

Та же проблема была отмечена во многих других скоплениях галактик, но RX J1532 – это крайний случай, поскольку в нём охлаждение газа должно быть особенно значительным из-за большой плотности газа вблизи центра. Из тысяч известных галактических кластеров лишь менее дюжины подобны RX J1532. Другим крайним случаем является скопление Феникс, в котором, напротив, наблюдается формирование большого количества звёзд.

Что же препятствует формированию молодых звёзд в RX J1532? Снимки от рентгеновского телескопа Чандра и наземного радиотелескопа Very Large Array (VLA) помогли ответить на этот вопрос. Изображение в рентгеновском спектре показывает, что в горячем газе образованы крупные полости с обеих сторон от центральной эллиптической галактики. Учёные специально обработали снимок от Чандра, чтобы выделить эти участки. Обе полости совпадают со струями, заметными на радиоизображениях от VLA. Сверхмассивная черная дыра расположена между этими участками, и это доказывает, что сверхзвуковые струи, произведённые черной дырой, пробурили в горячем газе полости.

Границы ударных волн, как и при звуковых ударах, образуются при расширении полостей и излучении энергии звуковых волн, отражающихся от горячего газа, и являются источником тепла, которое препятствует охлаждению значительной части газа, а, следовательно, процессу звездообразования.

Размер каждой полости составляет около 100 тысяч световых лет, что приблизительно соответствует ширине галактики Млечный Путь. Необходимая для их образования мощность является одной из наибольших в известных скоплениях галактик. Например, эта мощность почти в 10 раз больше, чем требуется для создания подобных образований в созвездии Персея.

Энергия для питания струй должна выделяться веществом, падающим в черную дыру, однако от него не было обнаружено рентгеновского излучения. Это возможно в том случае, если черная дыра является не сверхмассивной, а ультрамассивной, с массой более 10 миллиардов солнц. Подобная черная дыра в состоянии производить мощные струи, не потребляя большого количества массы, поэтому она поглощает всё излучение от падающего в неё вещества, поскольку его не много.

Это можно объяснить также тем, что черная дыра имеет массу всего около 1 миллиарда солнечных масс, но при этом очень быстро вращается. В данном случае, черная дыра может выбрасывать струи большей мощности, чем медленно вращающаяся черная дыра при поглощении равного количества материи. Таким образом, в обоих приведённых объяснениях фигурирует исключительно массивная черная дыра.

Помимо этого, обнаружена более отдаленная полость, расположенная под разными углами по отношению к струям вдоль направления север-юг. Скорее всего, эта полость была создана струей при гораздо более раннем выбросе из черной дыры. При этом возникает вопрос, почему данная полость больше не совпадает со струями. Здесь два возможных объяснения. Либо масштабные движения газа в кластере переместили полость в сторону, либо черная дыра является прецессирующей, то есть колеблется, словно вращающийся волчок.

Статья с описанием данной работы опубликована 10 ноября 2013 года в The Astrophysical Journal и доступна в сети Интернет. Главный автор - Джули Хлавачек-Ларрондо из Стэнфордского университета. Данные Хаббла, используемые при анализе, были из взяты из проекта Cluster Lensing And Supernova survey, возглавляемого Марком Постманом из Научного института космического телескопа.

Руководство программой Чандра осуществляется Центром космических полетов им. Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама, на базе Управления научными миссиями НАСА в Вашингтоне. Контроль над научными и техническими операциями телескопа Чандра производится Смитсоновской астрофизической обсерваторией в Кембридже, штат Массачусетс.