Amerikanska och australiska astrofysiker har upptäckt en kandidat för svarta hål med medel massa. De fick detta namn eftersom de är tyngre än vanliga - det vill säga de som bildas som ett resultat av stjärnornas gravitationskollaps - föremål, men lättare än supermassiva svarta hål, vanligtvis belägna i de aktiva kärnorna i stora galaxer. Ursprunget till de ovanliga föremålen är fortfarande oklart. "Lenta.ru" talar om svarta hål i mellanmassor och upptäckten av forskare.
De flesta av de svarta hålen som är kända för forskare - det vill säga föremål som ingen roll kan lämna (ignorerar kvanteffekter) - är antingen svarta hål med stjärnmassa eller supermassiva svarta hål. Ursprunget för dessa gravitationella objekt är grovt klart för astronomer. Den första, som deras namn antyder, representerar det sista steget i utvecklingen av tunga armaturer, när termonukleära reaktioner upphör i deras djup. De är så tunga att de inte förvandlas till vita dvärgar eller neutronstjärnor.
Små stjärnor som solen förvandlas till vita dvärgar. Deras kraft för gravitationskompression balanseras av den elektromagnetiska avstötningen av den elektron-kärnplasma. I tyngre stjärnor begränsas tyngdkraften av kärnämnestrycket, vilket resulterar i neutronstjärnor. Kärnan i sådana föremål bildas av en neutronvätska, som är täckt med ett tunt plasmaskikt av elektroner och tunga kärnor. Slutligen förvandlas de tyngsta armaturerna till svarta hål, vilket perfekt beskrivs av allmän relativitet och statistisk fysik.
Globular stjärnkluster 47 Toucan
Foto: NASA / ESA / Hubble Heritage
Begränsningsvärdet för massan av den vita dvärgen, som förhindrar att den förvandlas till en neutronstjärna, uppskattades 1932 av den indiska astrofysiker Subramanian Chandrasekhar. Denna parameter beräknas utifrån jämviktstillståndet för degenererade elektrongaserna och gravitationskrafter. Det aktuella värdet för Chandrasekhar-gränsen beräknas till cirka 1,4 solmassor. Den övre gränsen för massan av en neutronstjärna, vid vilken den inte förvandlas till ett svart hål, kallas Oppenheimer-Volkov-gränsen. Det bestäms utifrån jämviktstillståndet för trycket på den degenererade neutrongas och tyngdkrafterna. 1939 fick forskarna sitt värde på 0,7 solmassor, moderna uppskattningar sträcker sig från 1,5 till 3,0.
De mest massiva stjärnorna är 200-300 gånger tyngre än solen. Som regel överskrider massan av ett svart hål som härrör från en stjärna inte denna storleksordning. I den andra änden av skalan finns supermassiva svarta hål - de är hundratusentals eller till och med tiotals miljarder gånger tyngre än solen. Vanligtvis är sådana monster belägna i de aktiva centrumen för stora galaxer och har ett avgörande inflytande på dem. Trots det faktum att ursprunget till supermassiva svarta hål också väcker många frågor, hittills har tillräckligt med sådana föremål (striktare - kandidater för dem) upptäckts för att inte ifrågasätta deras existens.
Kampanjvideo:
Till exempel, i mitten av Vintergatan, på ett avstånd av 7,86 kiloparsek från jorden, är det tyngsta objektet i galaxen - det supermassiva svarta hålet Skytten A *, som är mer än fyra miljoner gånger tyngre än solen. I det närliggande stora stjärnsystemet, Andromeda Nebula, är ett ännu tyngre föremål: ett supermassivt svart hål, som antagligen är 140 miljoner gånger tyngre än solen. Astronomer uppskattar att om fyra miljarder år kommer ett supermassivt svart hål från Andromeda Nebula att svälja ett från Vintergatan.
Svart hål med medel massa (konstnär föreställt)
Bild: CfA / M. Weiss
Denna mekanism pekar på det mest troliga sättet som gigantiska svarta hål bildar - de absorberar helt enkelt allt som är omkring dem. Frågan kvarstår dock: finns det i naturen svarta hål i mellanmassor - mellan stellar och superheavy? Observationer från de senaste åren, inklusive de som publicerades i det senaste numret av tidskriften Nature, bekräftar detta. I publikationen rapporterade författarna upptäckten av en sannolik kandidat för svarta hål i medelhög massa i mitten av det kulformiga stjärnklustret 47 Toucan (NGC 104). Uppskattningar visar att det är cirka 2,2 tusen gånger tyngre än solen.
Kluster 47 Toucan ligger 13 tusen ljusår från jorden i konstellationen Toucan. Denna uppsättning gravitationsbundna armaturer kännetecknas av dess stora ålder (12 miljarder år) och extremt hög ljusstyrka bland sådana föremål (näst efter omega Centauri). NGC 104 innehåller tusentals stjärnor, begränsade till en villkorlig sfär med 120 ljusår i diameter (tre ordningsföljder mindre än diametern på Vintergatans skiva). Också i 47 Toucan finns det cirka tjugo pulsars - de blev forskarnas huvudobjekt för forskning.
Tidigare sökningar i centrum av NGC 104 efter ett svart hål misslyckades. Sådana föremål avslöjar sig själva på ett indirekt sätt, genom de karakteristiska röntgenstrålarna som härstammar från tillslutningsskivan runt dem, bildad av den uppvärmda gasen. Samtidigt innehåller NGC 104: s centrum nästan ingen gas. Å andra sidan kan ett svart hål upptäckas av dess effekt på stjärnorna som roterar i närheten - något liknande är möjligt att studera Skytt A *. Men även här stod forskare inför ett problem - centrumet för NGC 104 innehåller för många stjärnor för att kunna förstå deras individuella rörelser.
Parks radioteleskop
Foto: David McClenaghan / CSIRO
Forskare har försökt komma runt båda svårigheterna och samtidigt inte överge de vanliga metoderna för att upptäcka svarta hål. Först analyserade astronomer dynamiken hos stjärnorna i hela den klumpiga klustret som helhet, och inte bara de stjärnor som ligger nära dess centrum. För att göra detta tog författarna data om dynamiken i armaturerna i 47 Toucan, samlade under observationer av Australian Parkes radioobservatorium. Forskarna använde den erhållna informationen för datormodellering inom ramen för gravitationsproblemet hos N-kroppar. Det visade att det finns något i mitten av NGC 104 som liknar ett medelhårt svart hål i egenskaper. Detta räckte dock inte.
Forskarna beslutade att testa sina resultat på pulsars - kompakta rester av döda stjärnor, vars radiosignaler astronomer har lärt sig att spåra ganska bra. Om NGC 104 innehåller ett svart hål med medel massa, kan pulsars inte placeras för nära centrum av 47 Toucan - och vice versa. Som förväntat av författarna bekräftades det första scenariot: platsen för pulsars i NGC 104 korrelerar väl med det faktum att det finns ett svart hål med medelmassa i mitten av klustret.
Författarna tror att gravitationsobjekt av denna typ kan vara belägna i centrum för andra kulakluster - förmodligen där de redan finns eller ännu inte söks. Detta kommer att kräva noggrann övervägande av var och en av dessa kluster. Vilken roll spelar svarta hål i mellanmassan och hur uppstod de? Det är ännu inte känt med säkerhet. Trots de många alternativen för deras ytterligare utveckling, tror co-författaren Bulent Kiziltan att "de kan vara de ursprungliga frön som växte till de monster som vi ser idag i galaxernas centrum."
Yuri Sukhov
