Черная дыра средней массы - Intermediate-mass black hole

Шаровое скопление Mayall II (M31 G1) - возможный кандидат на размещение черной дыры промежуточной массы в ее центре.[1]

An черная дыра средней массы (IMBH) является классом черная дыра с массой в пределах 102–105 солнечные массы: значительно больше, чем звездные черные дыры но меньше 105–109 солнечная масса сверхмассивные черные дыры.[2][3] Несколько объектов-кандидатов в IMBH были обнаружены в нашей галактике и других близлежащих галактиках на основе наблюдений за косвенной скоростью газового облака и спектров аккреционного диска с различной доказательной силой.

В гравитационная волна сигнал GW190521 Обнаружена 21 мая 2019 года в результате слияния двух черных дыр весом 85 и 65 солнечных масс, в результате чего черная дыра весит 142 солнечные массы.

Наблюдательные свидетельства

В гравитационная волна сигнал GW190521, которое произошло 21 мая 2019 года в 03:02:29 UTC,[4] и был опубликован 2 сентября 2020 г.,[5][6][7] возникла в результате слияния двух черных дыр, весящих 85 и 65 солнечных масс, в результате чего черная дыра весит 142 солнечных массы, а 9 солнечных масс излучаются в виде гравитационных волн.[8][5][6][7]

До этого наиболее убедительное свидетельство существования IMBH было получено из нескольких источников с низкой светимостью. активные галактические ядра.[9] Благодаря своей деятельности эти галактики почти наверняка содержат срастание черные дыры, а в некоторых случаях массы черных дыр можно оценить, используя технику отображение реверберации. Например, спиральная галактика NGC 4395 на расстоянии около 4 Мпк появляется черная дыра с массой около 3.6×105 солнечные массы.[10][соответствующий? – обсуждать]

Самая крупная современная выборка черных дыр промежуточных масс включает 305 кандидатов.[11] отобраны путем тщательного анализа одного миллиона оптических спектров галактик, собранных Sloan Digital Sky Survey.[12] Рентгеновское излучение зарегистрировано у 10 из этих кандидатов.[11] подтверждая их классификацию как IMBH.

Немного сверхсветовые источники рентгеновского излучения (ULX) в близлежащих галактиках предположительно являются IMBH с массами от сотни до тысячи. солнечные массы.[13] ULX наблюдаются в звездообразование регионах (например, в галактике со вспышкой звездообразования M82[14]), и, по-видимому, связаны с молодыми звездными скоплениями, которые также наблюдаются в этих областях. Однако только динамическое измерение массы на основе анализа оптического спектра звезды-компаньона может выявить присутствие IMBH как компактного аккретора ULX.

Немного шаровые скопления были заявлены как содержащие IMBHs, основанные на измерениях скоростей звезд около их центров; на рисунке показан один объект-кандидат. Однако ни одно из заявленных обнаружений не выдержало критики.[9] Например, данные для M31 G1, объект, показанный на рисунке, можно так же хорошо разместить без массивного центрального объекта.[15]

Дополнительные доказательства существования IMBH могут быть получены при наблюдении гравитационное излучение, испущенный из двоичного файла, содержащего IMBH и компактный остаток или другой IMBH.[16][17]

Наконец, M-сигма отношение предсказывает существование черных дыр с массой 104 до 106 массы Солнца в галактиках с низкой светимостью.[нужна цитата ]

Возможные открытия

RX J1140.1 + 0307 представляет собой спиральную галактику с центром в более легкой черной дыре промежуточной массы.[18]

В ноябре 2004 года группа астрономов сообщила об открытии GCIRS 13E, первая черная дыра промежуточной массы в нашей галактике, находящаяся на орбите в трех световых годах от Стрелец А *.[19] Эта средняя черная дыра массой 1300 солнечных масс находится внутри скопления из семи звезд, возможно, остатка массивного звездного скопления, которое было разрушено Галактический Центр. Это наблюдение может подкрепить идею о том, что сверхмассивные черные дыры растут, поглощая близлежащие более мелкие черные дыры и звезды. Однако в 2005 году немецкая исследовательская группа заявила, что присутствие IMBH около центра Галактики является сомнительным, основываясь на динамическом исследовании звездного скопления, в котором, как утверждается, находится IMBH.[20] IMBH около центра Галактики также может быть обнаружена по ее возмущениям на звездах, вращающихся вокруг сверхмассивной черной дыры.[21]

В январе 2006 г. группа во главе с Филипом Кааре из Университет Айовы объявили об открытии квазипериодического колебания от кандидата в черные дыры промежуточной массы, обнаруженного с помощью НАСА Rossi X-ray Timing Explorer. Кандидат, M82 X-1, вращается красный гигант звезда, испускающая свою атмосферу в черную дыру.[22] Ни существование колебания, ни его интерпретация как орбитальный период системы полностью не принимаются остальной частью научного сообщества, поскольку заявленная периодичность основана только на четырех циклах, а это означает, что это может быть случайным изменением. . Если период реальный, то это может быть либо орбитальный период, как предполагается, либо суперорбитальный период в аккреционном диске, как это наблюдается во многих других системах.[нужна цитата ]

В 2009 году группа астрономов под руководством Шона Фаррелла обнаружила HLX-1, черная дыра средней массы с меньшим скоплением звезд вокруг нее,[23] в галактике ESO 243-49. Это свидетельство предполагает, что ESO 243-49 имел галактическое столкновение с галактикой HLX-1 и поглотил большую часть вещества меньшей галактики.

Команда на CSIRO Радиотелескоп в Австралии объявил 9 июля 2012 года, что он обнаружил первую черную дыру промежуточных масс.[24]

В 2015 году группа ученых из Университета Кейо в Японии обнаружила газовое облако (CO-0,40-0,22 ) с очень большим разбросом скоростей.[25] Они выполнили моделирование и пришли к выводу, что модель с черной дырой размером около ста тысяч солнечные массы лучше всего подходит для распределения скоростей.[26] Однако более поздняя работа указала на некоторые трудности, связанные с ассоциацией облаков с высокоскоростной дисперсией и черными дырами промежуточной массы, и предположила, что такие облака могут быть созданы с помощью сверхновые.[27]Радионаблюдения с Большая миллиметровая / субмиллиметровая матрица Atacama подтвердил отсутствие IMBH вблизи CO-0.40-0.22 и обнаружил, что большая дисперсия скоростей облака создается суперпозицией двух молекулярных облаков с разными лучевыми скоростями. Было подтверждено, что особенности, идентифицированные как сигнатуры взаимодействия IMBH-облака в предыдущих исследованиях, являются артефактами, созданными ошибочной обработкой данных.[28] Дальнейшие теоретические исследования газового облака и близлежащих кандидатов в IMBH были безрезультатными, но вновь открыли возможность,[29] хотя после этого не поступало никаких наблюдательных доказательств существования IMBH.

В 2017 году было объявлено, что черная дыра массой несколько тысяч солнечных масс может находиться в шаровое скопление 47 Тукан. Это было основано на ускорении и распределении пульсаров в скоплении;[30]однако более поздний анализ обновленных и более полных данных об этих пульсарах не обнаружил положительных доказательств этого.[31]

Наблюдения в 2018 году нескольких потоков молекулярного газа, вращающихся вокруг невидимого объекта вблизи галактического центра, обозначенного HCN-0,009-0,044, предположил, что это черная дыра с массой тридцать две тысячи солнечных масс, и если да, то это третья черная дыра, обнаруженная в регионе.[32]

Наблюдения в 2019 г. обнаружили свидетельства гравитационно-волнового события (GW190521 ), возникшие в результате слияния двух черных дыр промежуточных масс, масса которых в 66 и 85 раз больше массы Солнца.[33] В сентябре 2020 года было объявлено, что образовавшаяся объединенная черная дыра весила 142 солнечных массы, при этом 9 солнечных масс излучались в виде гравитационных волн.[8][5][6][7]

В 2020 году астрономы сообщили о возможном обнаружении черной дыры промежуточной массы под названием 3XMM J215022.4-055108 в направлении Созвездие Водолея, примерно в 740 миллионах световых лет от Земли.[34][35]

Источник

Черные дыры средней массы слишком массивны, чтобы образоваться крах одной звезды, вот как звездные черные дыры считаются сформированными. В их среде отсутствуют экстремальные условия, т. Е. Высокая плотность и скорости, наблюдаемые в центрах галактик, которые, по-видимому, приводят к образованию сверхмассивные черные дыры. Есть три постулируемых сценария формирования IMBH. Первый - это слияние черных дыр звездных масс и других компактных объектов с помощью нарастание. Второй - беглец столкновение массивных звезд в плотном звездные скопления и коллапс продукта столкновения в IMBH. В-третьих, они изначальные черные дыры сформированный в Большой взрыв.[36]

Ученые также рассмотрели возможность создания черных дыр средней массы через механизмы включая коллапс одиночной звезды, такой как возможность прямого коллапса в черные дыры звезд с массой ядра гелия до сверхновой> 133M☉ (чтобы избежать парная нестабильность сверхновой который полностью разрушит звезду), требуя начальной полной звездной массы> 260M☉, но шансов обнаружить такой остаток сверхновой большой массы может быть мало. Недавние теории предполагают, что такие массивные звезды, которые могут привести к образованию черных дыр промежуточной массы, могут образовываться в молодых звездные скопления через множественные столкновения звезд.[37]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Гебхардт, Карл; Rich, R.M .; Хо, Луис К. (декабрь 2005 г.), "Черная дыра средней массы в шаровом скоплении G1: повышенная значимость по результатам новых наблюдений космического телескопа Кека и Хаббла", Астрофизический журнал, 634 (2): 1093–1102, arXiv:Astro-ph / 0508251, Bibcode:2005ApJ ... 634.1093G, Дои:10.1086/497023, S2CID  119049663
  2. ^ Цзян, Янь-Фэй; Грин, Дженни Э .; Хо, Луис Ч .; Сяо, Тин; Барт, Аарон Дж. (2011), "Родственные галактики черных дыр малой массы"
  3. ^ Грэм, Алистер В .; Скотт, Николас (2015), "Масштабирование массы балджа (черной дыры) при малых массах"
  4. ^ "Триггер GW S190521g ('GW 190521')". Университет Лестера. 2020. В архиве из оригинала 28 июня 2020 г.. Получено 26 июн 2020.
  5. ^ а б c Abbott, R .; и другие. (2 сентября 2020 г.). "Свойства и астрофизические последствия слияния двойной черной дыры 150 M GW190521". Астрофизический журнал. 900 (1): L13. arXiv:2009.01190. Bibcode:2020ApJ ... 900L..13A. Дои:10.3847 / 2041-8213 / aba493.
  6. ^ а б c Abbott, R .; и другие. (2 сентября 2020 г.). "GW190521: слияние бинарных черных дыр с общей массой 150 M". Письма с физическими проверками. 125 (10): 101102. arXiv:2009.01075. Bibcode:2020PhRvL.125j1102A. Дои:10.1103 / PhysRevLett.125.101102. PMID  32955328.
  7. ^ а б c Мартин (2 сентября 2020 г.). «GW190521: самое крупное столкновение с черными дырами, наблюдаемое на сегодняшний день» (PDF). LIGO Scientific Collaboration. В архиве (PDF) из оригинала 4 сентября 2020 г.. Получено 2 сентября 2020.
  8. ^ а б Сигел, Итан (3 сентября 2020 г.). "Крупнейшее массовое слияние LIGO предсказывает революцию в виде черной дыры". Forbes. В архиве из оригинала 4 сентября 2020 г.. Получено 5 сентября 2020.
  9. ^ а б Мерритт, Дэвид (2013). Динамика и эволюция ядер галактик.. Принстон, штат Нью-Джерси: Princeton University Press. ISBN  9781400846122.
  10. ^ Петерсон, Брэдли; и другие. (2005). "Многоволновой мониторинг карликовой галактики Сейфертовский 1 NGC 4395. I. Измерение массы черной дыры на основе реверберации". Астрофизический журнал. 632 (2): 799–808. arXiv:Astro-ph / 0506665. Bibcode:2005ApJ ... 632..799P. Дои:10.1086/444494. S2CID  13886279.
  11. ^ а б Чилингарян Игорь; и другие. (2018). «Население настоящих черных дыр средней массы, идентифицированных как активные галактические ядра с низкой светимостью». Астрофизический журнал. 863 (1): 799–808. arXiv:1805.01467. Bibcode:2018ApJ ... 863 .... 1С. Дои:10.3847 / 1538-4357 / aad184. S2CID  119093965.
  12. ^ Sloan Digital Sky Survey https://www.sdss.org
  13. ^ Maccarone, T.J .; Кунду, А; Zepf, SE; Род, KL (2007). «Черная дыра в шаровом скоплении». Природа. 445 (7124): 183–185. arXiv:Astro-ph / 0701310. Bibcode:2007Натура.445..183М. Дои:10.1038 / природа05434. PMID  17203062. S2CID  4323113.
  14. ^ Патруно, А .; Portegies Zwart, S .; Dewi, J .; Хопман, К. (2006). «Ультралюминиевый источник рентгеновского излучения в M82: черная дыра средней массы с гигантским спутником». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письма. 370 (1): L6 – L9. arXiv:Astro-ph / 0506275. Bibcode:2006МНРАС.370Л ... 6П. Дои:10.1111 / j.1745-3933.2006.00176.x. S2CID  10694200.
  15. ^ Baumgardt, H .; и другие. (2003). «Динамическая модель шарового скопления G1». Астрофизический журнал. 589 (1): L25 – L28. arXiv:Astro-ph / 0301469. Bibcode:2003ApJ ... 589L..25B. Дои:10.1086/375802. S2CID  119464795.
  16. ^ Хопман, Хлодвиг; Саймон Портеги Цварт (2005). «Гравитационные волны от остатков сверхлегких источников рентгеновского излучения». Пн. Нет. R. Astron. Soc. Латыш. 363 (1): L56 – L60. arXiv:Astro-ph / 0506181. Bibcode:2005МНРАС.363Л..56Х. Дои:10.1111 / j.1745-3933.2005.00083.x. S2CID  6904146.
  17. ^ "Измерение двойных черных дыр средней массы с помощью передовых детекторов гравитационных волн". Группа гравитационных волн. Бирмингемский университет. Получено 28 ноября 2015.
  18. ^ «Черная дыра загадочной легкости». www.spacetelescope.org. Получено 9 января 2017.
  19. ^ S2 и центральная черная дыра
  20. ^ Schoedel, R .; А. Эккарт; К. Изерлоэ; Р. Гензель; Т. Отт (2005). «Черная дыра в галактическом центре комплекса IRS 13E?». Astrophys. J. 625 (2): L111 – L114. arXiv:astro-ph / 0504474. Bibcode:2005ApJ ... 625L.111S. Дои:10.1086/431307. S2CID  10250848.
  21. ^ Gualandris, A .; Мерритт, Д. (2009). "Возмущения черных дыр промежуточных масс на звездных орбитах в центре Галактики". Astrophys. J. 705 (1): 361–371. arXiv:0905.4514. Bibcode:2009ApJ ... 705..361G. Дои:10.1088 / 0004-637X / 705/1/361. S2CID  17649160.
  22. ^ Умирающая звезда обнаруживает больше доказательств появления нового вида черной дыры | Научный блог
  23. ^ Сория, Роберто; Hau, Джордж К. Т .; Грэм, Алистер В .; Kong, Альберт К. Х .; Куин, Н. Пол М .; Ли, И.-Хуэй; Лю, Цзи-Фэн; Ву, Кинва (2010), Открытие оптического аналога сверхсветового источника рентгеновского излучения в ESO 243-49
  24. ^ Nease, Эрик (9 июля 2012 г.). «Астрономы обнаружили самую первую черную дыру промежуточной массы». Горелка Бунзена. Phillips Cronkite Media Group. Архивировано из оригинал 13 июля 2012 г.. Получено 9 июля 2012.
  25. ^ Ока, Томохару; Мизуно, Рэйко; Миура, Кодаи; Такекава, Сюня (28 декабря 2015 г.). «Сигнатура черной дыры средней массы в центральной молекулярной зоне нашей Галактики». Астрофизический журнал. 816 (1): L7. arXiv:1512.04661. Bibcode:2016ApJ ... 816L ... 7O. Дои:10.3847 / 2041-8205 / 816/1 / L7. S2CID  119228384.
  26. ^ "Признаки второй по величине черной дыры в Млечном пути - возможное недостающее звено в эволюции черной дыры". Национальная астрономическая обсерватория Японии. 15 января 2016 г.
  27. ^ Ялиневич, Альмог; Бениамини, Пас (2018), "Сверхновые звезды генерируют компактные облака с высокой скоростью", Астрономия и астрофизика, 612: L9, arXiv:1709.05738, Bibcode:2018A & A ... 612L ... 9Y, Дои:10.1051/0004-6361/201732389, S2CID  119012130
  28. ^ Танака, Кунихико (апрель 2018 г.), «Изображения ALMA основного облака кандидата в черную дыру средней массы CO-0.40-0.22 *: нет доказательств взаимодействия облака и черной дыры, но есть свидетельства столкновения облака и облака», Астрофизический журнал, 859 (2): 86, arXiv:1804.03661, Bibcode:2018ApJ ... 859 ... 86 т, Дои:10.3847 / 1538-4357 / aabd77, S2CID  54956677
  29. ^ Баллоне, Алессандро; Мапелли, Микела; Паскуато, Марио (11 ноября 2018 г.). «Взвешивание кандидата IMBH CO-0.40-0.22 * в Галактическом Центре». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 480 (4): 4684–4692. arXiv:1809.01664. Bibcode:2018МНРАС.480.4684Б. Дои:10.1093 / mnras / sty2139. ISSN  0035-8711. S2CID  119252027.
  30. ^ Кызылтан, Бюлент; Баумгардт, Хольгер; Лоеб, Авраам (2017). «Черная дыра средней массы в центре шарового скопления 47 Тукана». Природа. 542 (7640): 203–205. arXiv:1702.02149. Bibcode:2017Натура.542..203K. Дои:10.1038 / природа21361. PMID  28179649. S2CID  1289123.
  31. ^ Фрейре, Пауло; Ридольфи, Алессандро; Крамер, Майкл (2017). «Многолетние наблюдения пульсаров в 47 Тукане - II. Собственные движения, ускорения и рывки». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 471 (7640): 857–876. arXiv:1706.04908. Bibcode:2017МНРАС.471..857Ф. Дои:10.1093 / мнрас / stx1533. S2CID  119240682.
  32. ^ Такекава, Сюня; Ока, Томохару; Ивата, Юхей; Цудзимото, Шихо; Номура, Марико (16 января 2019 г.). "Указание на еще одну черную дыру средней массы в центре Галактики". Астрофизический журнал. 871 (1): L1. arXiv:1812.10733. Bibcode:2019ApJ ... 871L ... 1 т. Дои:10.3847 / 2041-8213 / aafb07. ISSN  2041-8213. S2CID  119418223.
  33. ^ «LIGO Scientific Collaboration - наука об исследованиях LSC». www.ligo.org. Получено 2020-09-02.
  34. ^ Прощай, Деннис (6 мая 2020 г.). «Глубоко в космическом лесу, черная дыра может походить на Златовласку - астрономы обнаружили промежуточную черную дыру - не слишком большую, не слишком маленькую - которая проливает свет на то, как Вселенная была собрана в темноте». Нью-Йорк Таймс. Получено 7 мая 2020.
  35. ^ Линь, Даченге; и другие. (13 февраля 2020 г.). "Многоволновое продолжение сверхсветовой черной дыры средней массы 3XMM J215022.4−055108" (PDF). arxiv. Дои:10.3847 / 2041-8213 / ab745b. Получено 7 мая 2020.
  36. ^ Clesse, S .; Гарсия-Беллидо, Дж. (2015). «Массивные изначальные черные дыры от гибридной инфляции как темная материя и семена галактик». Физический обзор D. 92 (2): 023524. arXiv:1501.07565. Bibcode:2015ПхРвД..92б3524С. Дои:10.1103 / PhysRevD.92.023524. HDL:10486/674729. S2CID  118672317.
  37. ^ Ди Карло, У. Н. (2019). «Слияние черных дыр в молодых звездных скоплениях». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письма. 487 (2): 2947–2960. arXiv:1901.00863v1. Bibcode:2019МНРАС.487.2947Д. Дои:10.1093 / mnras / stz1453. S2CID  119252415.

внешняя ссылка