Как были открыты черные дыры промежуточной массы?

Обычно в астрофизике говорят о двух типах черных дыр. Первые, более известные, возникают в результате эволюции звезд в конце жизни самых массивных из них и, соответственно, имеют звездные массы (примерно от 4 до 20 масс Солнца). С другой стороны, есть сверхмассивные черные дыры. Они находятся в центрах крупных галактик. Например, в центре нашей Галактики есть сверхмассивная черная дыра с массой около 4 миллионов масс Солнца. Некоторые сверхмассивные черные дыры, как показывают наблюдения, могут иметь массы, превышающие и 10 миллиардов масс Солнца.

Некоторое время назад возникло подозрение, что существует еще один тип черных дыр. По своим массам они находятся между звездными и сверхмассивными, поэтому их назвали «черные дыры промежуточных масс». Как люди догадались об их существовании? Представьте, что на какой-то объект падает вещество, при этом выделяется энергия и появляется яркий источник. Кажется, что все просто: чем больше вещества мы кидаем, тем больше энергии выделяется и тем мощнее наш источник. Но вспомним, что, как показал Лебедев более ста лет назад, свет оказывает давление. Это означает, что если возникает очень мощный источник, то свет будет просто сдувать часть вещества. Поэтому возникает естественный предел на мощность (светимость) источника, который зависит от его массы. Чем больше масса того объекта, на который вещество падает, тем мощнее может быть источник. Поэтому, например, квазары такие мощные — они связаны со сверхмассивными черными дырами.

Несколько десятилетий назад начали открывать источники, светимость которых нельзя объяснить объектами звездных масс, если, что очень важно, излучение идет равномерно во все стороны. Такие источники назвали сверхмощными, или ультрамощными (в английской литературе — ultraluminous x-ray sources). Что является центральным объектом в ультрамощном источнике? Одна из версий очень проста: представим себе, что этот объект излучает не одинаково во все стороны, а светит, как прожектор, и поэтому нам кажется, что он очень яркий.

На самом деле энергии выделяется не очень много, но она направлена узким пучком, и, если она попадает на нас, нам кажется, что мы видим очень мощный источник. Тогда центральным объектом могут быть черные дыры звездных масс. Другая идея предполагает существование черных дыр большей массы (сотни, может быть, тысячи масс Солнца). Это может звучать просто, но совершенно непонятно, как такие черные дыры могут образоваться в природе. Возникла загадка ультрамощных рентгеновских источников, над которой исследователи бьются до сих пор. На протяжении этого времени не прекращался спор: то ли в центре источника черные дыры звездных масс, то ли промежуточные черные дыры.

Наконец получен очень сильный наблюдательный аргумент в пользу того, что в одном источнике мы видим черную дыру промежуточной массы, которая составляет примерно 400 масс Солнца. Как это удалось измерить? Масса измерена непрямым способом. Дело в том, что мы уже знаем достаточно много источников с черными дырами, у некоторых из них есть одно интересное наблюдательное свойство: свет, приходящий от них, показывает почти периодическое излучение на разных характерных частотах. Некоторые из этих частот находятся в гармоническом отношении, например 3 к 2. Если мы видим такое соотношение, то в ряде источников мы можем определить их массу. То есть по некоторым источникам это проверено: мы не знаем, как это работает, но мы знаем, что это работает. В некоторых случаях у нас есть прямые способы определения массы черной дыры, и мы можем понять, как частоты изменения потока излучения соотносятся с массой. Сейчас впервые такое гармоническое колебание удалось увидеть у ультрамощного источника, и именно это наблюдение позволило оценить массу в 400 масс Солнца, что сразу помещает этот объект в класс промежуточных черных дыр. В ходе звездной эволюции невозможно из простой одиночной звезды породить черную дыру с массой в 400 масс Солнца, потому что сейчас самые тяжелые звезды в Галактике, рождаясь, имеют массы чуть больше 100 масс Солнца. Таким образом, мы теперь как минимум знаем, что часть ультрамощных рентгеновских источников должна объясняться черными дырами промежуточных масс.

На этом история не заканчивается. Видимо, часть ультрамощных источников — это все-таки направленные прожекторы. Еще более удивительная новость ждет нас в течение нескольких недель — в топ-журнал уже принята статья, в которой авторы убедительно доказывают, что один из источников вообще не является черной дырой. Следите за обновлениями!