Сверхмассивные черные дыры (СМЧД) скрываются в центре крупных галактик, таких как наша. Со своей командной позиции в сердце галактики они питаются газом, пылью, звездами и всем остальным, что оказывается слишком близко, и со временем становятся все массивнее. Но в редких случаях СМБГ может быть вытеснена со своего места и пронестись через пространство в виде "спящей" СМБГ.
В своей новой работе исследователи из Канады, Австралии и США представили доказательства существования сверхмассивной сверхновой, которая прорывается сквозь пространство и взаимодействует с окологалактической средой (ОГС). На своем пути гигант создает ударные волны и провоцирует звездообразование.
Статья называется "Кандидат в беглецы сверхмассивная черная дыра, идентифицированная по ударным волнам и звездообразованию в ее следе". Ведущий автор - Питер ван Доккум, профессор астрономии и физики Йельского университета. Работа доступна на сервере препринтов arXiv и еще не прошла рецензирование.
Если вы никогда не слышали об убегающих SMBH, вы не одиноки. Обычно СМБГ фиксируются в центрах галактик, и там они и остаются. Но ученые считают, что в редких случаях SMBH могут покидать свои галактики. В своей статье авторы объясняют, как SMBH может быть выброшена из галактики-хозяина.
Это всегда начинается при слиянии галактик. Это приводит к образованию бинарной SMBH в центре остатка слияния. Бинарный SMBH может быть очень долгоживущим, сохраняясь в течение миллиарда лет до слияния. Если за это время третья SMBH достигнет галактического центра, то в результате взаимодействия трех тел скорость одной из SMBH может увеличиться, и она может быть вытеснена из галактики.
На этих изображениях, полученных с помощью камеры Advanced Camera for Surveys телескопа "Хаббл", видна линейная особенность, которая может возникнуть в результате изгоя SMBH.
Но, несмотря на теоретические обоснования, найти эти неконтролируемые SMBH непросто. Астрономы определили одного из лучших кандидатов в 2021 году на расстоянии около 230 миллионов световых лет. Авторы заметили своеобразное движение и скорость, которые указывали на недавнее разрушение. Но они не смогли сделать вывод, наблюдали ли они текущее слияние галактик, бинарную систему черных дыр или гравитационно-волновое событие отдачи.
Астрономы признают несколько способов, с помощью которых можно определить убегающую SMBH. Самый простой способ - если дыра активно поглощает материал как активное галактическое ядро и может быть идентифицирована по своей светимости. "Для таких объектов, - пишут авторы, - наличие SMBH не вызывает сомнений, но может быть трудно определить, являются ли они "голыми" черными дырами или ядрами сливающихся галактик".
Другой способ - по звездной массе, которую дыра-изгой тащит за собой. Когда SMBH выбрасывается, ее мощная гравитационная сила тянет за собой некоторые звезды. Но без светимости от AGN тусклость затрудняет идентификацию дыры и ее звездных компаньонов с большого расстояния.
Третий способ, с помощью которого астрономы могут распознать потенциальную сверхмассивную дыру, - это влияние, которое она оказывает на диффузный газ в окологалактической среде (ОГС) при прохождении через нее.
На этом изображении из работы показаны три узла в хвосте, которые, вероятно, являются недавно сформировавшимися звездами. Исследователи обнаружили, что эти три звезды попадают в правильные диапазоны металличности, возраста и содержания пыли, чтобы соответствовать заблудшей SMBH, которая покинула свою галактику около 39 миллионов лет назад.
"The interaction of a runaway supermassive black hole with the CGM can lead to the formation of a wake of shocked gas and young stars behind it," the authors write. In their paper, they report the serendipitous discovery of a linear feature in images from the Hubble's Advanced Camera for Surveys that could be one of these wakes.
When an SMBH travels through ionized hydrogen in the CGM, it produces a shock front with a long wake trailing behind it. In the wake, clouds of shocked gas can cool and form stars that look like knots in the trail. The researchers analyzed three of the knots in the linear feature and measured their ages and meta**llicity.
Theory and modeling show that the youngest stars formed in the wake should be younger than about 30 million years old. When the researchers measured their properties, they found that the three knots are within the age range laid out by models. They're also within the range of meta**llicities and dust content.
If the host galaxy ejected an SMBH, the galaxy should show signs of disruption. SMBHs are extraordinarily massive, and that much mass can't move through a galaxy without shaping it. The team examined the galaxy that spawned the rogue SMBH and found that its morphology was disrupted.
На этом рисунке из исследования показана морфология галактики в F606W и F814W (фильтры Хаббла). Стрелка указывает направление линейной особенности. Галактика компактна и имеет нерегулярные черты, возможно, указывающие на недавнее слияние и/или связь с линейной чертой.
There is, however, another possible explanation for the linear feature. It could be a black hole jet rather than a rogue SMBH. Under the right conditions, black hole jets can also shock gas in the CGM and lead to star formation. "There are two well-studied nearby examples of jets triggering star formation," the authors state. One of them is called Minkowski's Object.
The authors acknowledge the black hole jet explanation as a possibility, but they say there are too many problems with it. Visible emission lines aren't a property of black hole jets, and there's no evidence of nuclear activity. There's also a problem with morphology. "A more serious issue is that the morphology of the feature does not match simulations or observations of jet-induced star formation," the authors explain.
They settle on a runaway SMBH as the best explanation for the data and observations.
"The line ratios, colors, and the overall morphology are consistent with an ejected SMBH moving through the CGM at high speed while triggering star formation," they write.
На этом изображении показаны два вида объекта Минковского. Слева - изображение Хаббла, на котором МО выделено синим цветом. Эллиптическая галактика NGC 541 находится выше и правее. Струя, исходящая из черной дыры NGC 541, способствует звездообразованию в Объекте Минковского.
Обнаружение черных дыр стало бы неопровержимым доказательством этого вывода. "Курительным пистолетом", подтверждающим этот сценарий, будет однозначная идентификация самих черных дыр", - пишут исследователи. "Очевидные места, где их следует искать, - это А и В на рис. 6".
"Это кандидаты в "гиперкомпактные звездные системы", SMBHs, окутанные звездами и газом, которые ушли вместе с ними", - объясняют они.
Длинная особенность в этих наблюдениях очень необычна, поэтому не будет сюрпризом, если она имеет необычную причину. Только больше наблюдений могут определить, не являются ли причиной этого изгои SMBH, и JWST может их предоставить. "Более глубокие данные, например, от JWST NIRSPEC IFU, могут показать ожидаемые широкие, сильно красные или синие эмиссионные линии ионизированного газа, который связан с самими черными дырами. Эти данные могут также пространственно разрешить потоки, ударные волны и звездообразование вблизи A", - говорят авторы, заглядывая в будущее.
И если есть один случай убегающих SMBH, создающих эти особенности, то будут и другие".
Эта схема из исследования показывает, как рождается черная дыра-изгой. В 1 и 2 случаях слияние приводит к образованию долгоживущей бинарной SMBH. В 3 появляется третья галактика, и ее SMBH опускается в центр нового остатка. Это создает взаимодействие трех тел в 4. Наименее массивная SMBH становится несвязанной с двумя другими и получает толчок скорости в противоположном направлении. 5 показывает, что если существует достаточно мощный толчок скорости, то возможно, что все три SMBH могут быть выброшены. 6 - кадр из Illustris TNG, показывающий, что окологалактическая среда может иметь высокоассиметричные потоки, и СМБГ в точке A движется через такую область относительно плотного и холодного CGM.
"Забегая вперед, скажу, что морфология этой особенности на снимках HST настолько поразительна, что найти другие примеры, если они существуют, не должно быть слишком сложно. Будущие данные с телескопа Нэнси Грейс Роман можно будет искать с помощью автоматизированных алгоритмов", - объясняют они.
Смутные SMBH, оторванные от своей галактики и блуждающие в окологалактической среде, - захватывающее явление. Мы находимся только на ранних стадиях понимания SMBHs, их связи с ростом галактик и их слияния, порождающего гравитационные волны.
Обнаружение того, что они могут быть выброшены из своих галактик-хозяев, добавляет еще один уровень сложности, который могла придумать только природа.
