Вселенная буквально кишит чёрными дырами от звёздной массы до сверхмассивных чудовищ. Но есть один класс, который остаётся неуловимым: «средние» чёрные дыры. Они называются чёрными дырами промежуточной массы. Насколько они распространены, как образуются и где находятся? Чтобы ответить на эти вопросы, астрономы смоделировали возможные сценарии образования.
Чёрные дыры промежуточной массы находятся в промежутке массы между звёздной массой и сверхмассивной чёрной дырой. Они составляют от 100 до 100 000 солнечных масс. Если они существуют, то свидетельствуют ли о иерархической модели формирования чёрных дыр и формируются ли маленькие чёрные дыры в результате коллапса сверхмассивных звёзд? Если это так, то чёрные дыры промежуточной массы будут своеобразным «переходным звеном» между чёрными дырами звёздной массы и сверхмассивными. Если эта идея верна, то возможно ли, что чёрные дыры промежуточной массы могут сталкиваться между собой и образовать зародыши сверхмассивных чёрных дыр? Астрономам необходимы дополнительные наблюдательные данные, чтобы ответить на все эти вопросы.
При этом, у астрономов есть достаточно данных о чёрных дырах звёздной массы. Они образуются при коллапсе сверхмассивных звёзд. Сверхмассивные чёрные дыры, расположенные в центрах галактик, вероятнее всего формируются путём аккреции вещества, а также слияния с другими чёрными дырами. Существование чёрных дыр промежуточной массы, кажется, не вызывает сомнений, но их наблюдение представляет определённые трудности.
Это не значит, что их не существует. Наблюдатели нашли кандидатов в чёрные дыры промежуточной массы во Млечном Пути. Также похоже, что они присутствуют в активных ядрах галактик, где наблюдаются эффекты аккреции. Кроме того, некоторые источники ультраяркого рентгеновского излучения также могут иметь эти «средние» чёрные дыры. Обзор Sloan Digital Sky Survey также обнаружил несколько потенциальных кандидатов, которые сильно излучают в рентгеновском диапазоне. Рентгеновское излучение является одной из характеристик активности вокруг чёрной дыры. Одно из самых интересных наблюдений связано с гравитационными волнами, испущенными при слиянии двух массивных чёрных дыр. В результате образовалась чёрная дыра массой около 150 солнечных масс — именно такой массы, которая может относиться к промежуточным.
Учёные уверены они существуют, но до сих пор не могут точно определить где и как образуются. Международная группа под руководством Арки Седда из Гран-Сасского института (Италия) смоделировала возможные механизмы их формирования.
«Существующие наблюдательные ограничения не позволяют сказать ничего определённого о популяции чёрных дыр промежуточной массы с массами от 1 000 до 10 000 солнечных масс, они вызывают головные боли у учёных в отношении возможных механизмов их формирования», — пояснил Седда.
Седда и его команда рассмотрели звёздные скопления как возможное место рождения чёрных дыр промежуточной массы, они создали компьютерные модели, которые могут симулировать образование этих таинственных объектов, на базе данных DRAGON-II. Это коллекция из 19 компьютерных моделей, представляющих собой плотные скопления до миллиона звёзд каждое. Используя их в дальнейших симуляциях, команда обнаружила, что интересующие их объекты могут образовываться в звёздных скоплениях. Это происходит за счёт сложной комбинации трёх факторов: слияний между звёздами, гораздо более массивными, чем Солнце, аккреции материи со звезды на черные дыры звёздной массы и слияний между чёрными дырами звёздной массы.
«Последний процесс даёт возможность «увидеть» эти явления посредством обнаружения гравитационных волн», — объяснил Седда. Команда также выдвинула гипотезу о том, что происходит после рождения чёрных дыр промежуточной массы. Похоже, что они выбрасываются из своих скоплений в результате сложных гравитационных взаимодействий или испытывают «релятивистскую отдачу» при образовании. Это удерживает их от набора массы.
«Наши модели показывают, что, хотя зародыши образуются естественным путём в результате взаимодействий в звёздных скоплениях, они вряд ли станут тяжелее нескольких сотен солнечных масс, если только родительское скопление не будет чрезвычайно плотным или массивным», — сказал Седда.
Выяснение истории происхождения этих чёрных дыр до сих пор не даёт ответа на вопрос, являются ли они недостающим звеном между звёздными и сверхмассивными чёрными дырами.
Для лучшего понимания нам нужны два ингредиента: один или несколько процессов, способных образовывать чёрные дыры в промежуточном диапазоне масс и возможность сохранения таких чёрных дыр. Наше исследование накладывает строгие ограничения на первый ингредиент, давая чёткое представление о том, какие процессы могут способствовать образованию чёрных дыр промежуточной массы. Рассмотрение более массивных скоплений, содержащих больше двойных звёздных систем, в будущем может стать ключом к получению второго ингредиента. Но это потребует огромных усилий с технологической и вычислительной точки зрения
