Сверхмасси́вная чёрная дыра́ — чёрная дыра с массой 105—1011 масс Солнца. Сверхмассивные чёрные дыры обнаружены в центре многих галактик, включая Млечный ПутьЕлена Сейфина Масса за горизонтом событий // Наука и жизнь, 2023, № 8. — с. 2-9.
Специфические свойства Сверхмассивные чёрные дыры имеют специфические свойства, отличающие их от меньших чёрных дыр: Парадоксально, но средняя плотность сверхмассивной чёрной дыры (вычисляемая путём деления массы чёрной дыры на её объём Шварцшильда) может быть очень мала (даже меньше плотности воздуха в нижних слоях атмосферы Земли). Это объясняется тем, что радиус Шварцшильда прямо пропорционален массе, а плотность — обратно пропорциональна объёму (то есть в данном случае плотность обратно пропорциональна кубу радиуса Шварцшильда). Далее, объём сферического объекта (например, горизонта событий невращающейся чёрной дыры) прямо пропорционален кубу радиуса. В результате средняя плотность чёрной дыры уменьшается с увеличением её массы:
Приливные силы около горизонта событий значительно слабее из-за того, что центральная сингулярность расположена так далеко от горизонта, что гипотетический космонавт, путешествующий к центру чёрной дыры, не почувствует воздействия экстремальных приливных сил до тех пор, пока не погрузится в неё очень глубоко. Сверхмассивные чёрные дыры являются источником почти всех космических нейтриноA. V. Plavin, Y. Y. Kovalev, Yu. A. Kovalev, S. V. Troitsky Directional Association of TeV to PeV Astrophysical Neutrinos with Radio Blazars February 2021 The Astrophysical Journal 908(2):157 DOI:10.3847/1538-4357/abceb8Новости науки. Черные дыры названы источником всех космических нейтрино. // Знание — сила, 2021, № 6. — с. 44-45.
Формирование
Трудность образования сверхмассивной чёрной дыры заключается в том, что достаточное для этого количество вещества должно быть сконцентрировано в относительно небольшом объёме. Для этого у материи должен быть очень малый начальный угловой момент — то есть медленное вращение. Обычно скорость аккреции на чёрную дыру ограничена именно угловым моментом падающей материи, который должен быть в основном передан обратно наружу, что и ограничивает скорость роста массы чёрной дыры (см. аккреционный диск).
Общепринятой теории образования чёрных дыр такой массы ещё нет. Существует несколько гипотез, наиболее очевидной из которых является гипотеза, описывающая постепенное наращивание массы чёрной дыры аккрецией вещества на чёрную дыру звёздной массы. Другая гипотеза предполагает, что сверхмассивные чёрные дыры образуются при коллапсе больших газовых облаков и при их превращении в релятивистскую звезду массой в несколько сотен тысяч солнечных масс или больше. Такая звезда быстро становится нестабильной к радиальным возмущениям в связи с процессами образования электронно-позитронных пар, происходящими в её ядре, и может сколлапсировать сразу в чёрную дыру. При этом коллапс идёт, минуя стадию сверхновой, при которой взрыв разбросал бы большую часть массы, не позволив образоваться сверхмассивной чёрной дыре. Ещё одна модель предполагает, что сверхмассивные чёрные дыры могли образоваться в результате коллапса плотных звёздных кластеров, когда отрицательная теплоёмкость системы приводит дисперсию скорости в ядре к релятивистским значениям. Наконец, первичные чёрные дыры могли образоваться из начальных возмущений сразу после Большого взрыва.
В наблюдаемом списке кандидатов в чёрные дыры есть провал в распределении масс. Есть чёрные дыры звёздных масс, образующиеся в результате коллапса звёзд, массы которых простираются, вероятно, до 33 солнечных масс. Для сверхмассивных чёрных дыр наименьшая масса лежит в районе 105 солнечных масс (при максимальном значении — не более 2,7·1011 солнечных масс). Самая массивная из обнаруженных чёрных дыр SDSS J140821.67+025733.2 имеет массу 1,96 1011 солнечных масс (близко к массе нашей галактики Млечный Путь). Между этими значениями должны лежать чёрные дыры промежуточных масс, но такая чёрная дыра (HLX-1, обнаруженная австралийским радиотелескопом CSIRO 9 июля 2012 года) пока известна лишь в единственном экземпляре, что является аргументом в пользу различных механизмов образования лёгких и тяжёлых чёрных дыр. Масса HLX-1 оценивается в диапазоне 2·104-9·104 солнечных масс. Некоторые астрофизические модели, однако, объясняют характерные особенности сверхъярких рентгеновских источников как содержащих именно такие чёрные дыры (промежуточных масс).
В карликовой галактике Лев I почти нет тёмной материи, но в центре есть сверхмассивная чёрная дыра массой . У учёных нет объяснений того, как в карликовой сферической галактике появилась сверхмассивная чёрная дыраTexas Astronomers Discover Strangely Massive Black Hole in Milky Way Satellite Galaxy , 1 December 2021.
Обнаружение сверхмассивных чёрных дыр В настоящее время единственный достоверный способ отличить чёрную дыру от объекта другого типа состоит в том, чтобы измерить массу и размеры объекта и сравнить его радиус с гравитационным радиусом, который задаётся формулой
.
где — гравитационная постоянная, — масса объекта, — скорость света.
Сегодня разрешающая способность телескопов недостаточна для того, чтобы различать области пространства размером порядка гравитационного радиуса чёрной дыры. Поэтому в идентификации сверхмассивных чёрных дыр есть определённая степень допущения. Считается, что установленный верхний предел размеров этих объектов недостаточен, чтобы рассматривать их как скопления белых или коричневых карликов, нейтронных звёзд, чёрных дыр обычной массы.
Существует множество способов определить массу и ориентировочные размеры сверхмассивного тела, однако большинство из них основано на измерении характеристик орбит вращающихся вокруг них объектов (звёзд, радиоисточников, газовых дисков). В самом простейшем и достаточно часто встречающемся случае обращение происходит по кеплеровским орбитам, о чём говорит пропорциональность скорости вращения спутника квадратному корню из большой полуоси орбиты:
.
В этом случае масса центрального тела находится по известной формуле
.
В ряде случаев, когда объекты-спутники представляют собой сплошную среду (газовый диск, плотное звёздное скопление), которая своим тяготением влияет на характеристики орбиты, радиальное распределение массы в ядре галактики получается путём решения т. н. бесстолкновительного уравнения Бернулли.
Метод отношения масса-светимость Основным методом поиска сверхмассивных чёрных дыр в настоящее время является исследование распределения яркости и скорости движения звёзд в зависимости от расстояния до центра галактики.
Распределение яркости снимается фотометрическими методами при фотографировании галактик с большим разрешением, скорости звёзд — по красному смещению и уширению линий поглощения в спектре звезды.
Имея распределение скорости звёзд можно найти радиальное распределение масс в галактике. Например, при эллиптической симметрии поля скоростей решение уравнения Бернулли даёт следующий результат:
,
где — скорость вращения, и — радиальная и азимутальные проекции дисперсии скорости, — гравитационная постоянная, — плотность звёздного вещества, которая обычно принимается пропорциональной светимости.
Поскольку чёрная дыра имеет большую массу при низкой светимости, одним из признаков наличия в центре галактики сверхмассивной чёрной дыры может служить высокое отношение массы к светимости для ядра галактики. Плотное скопление обычных звёзд имеет отношение порядка единицы (масса и светимость выражаются в массах и светимостях солнца), поэтому значения (для некоторых галактик ), являются признаком наличия сверхмассивной чёрной дыры. Возможны, однако, альтернативные объяснения этого феномена: скопления белых или коричневых карликов, нейтронных звёзд, чёрных дыр обычной массы.
Измерение скорости вращения газа В последнее время благодаря повышению разрешающей способности телескопов стало возможным наблюдать и измерять скорости движения отдельных объектов в непосредственной близости от центра галактик. Так, при помощи спектрографа FOS (Faint Object Spectrograph) космического телескопа «Хаббл» группой под руководством Х. Форда была обнаружена вращающаяся газовая структура в центре галактики M87. Скорость вращения газа на расстоянии около 60 световых лет от центра галактики составила 550 км/с, что соответствует кеплеровской орбите с массой центрального тела порядка 3 масс солнца. Несмотря на гигантскую массу центрального объекта, нельзя сказать с полной определённостью, что он является чёрной дырой, поскольку гравитационный радиус такой чёрной дыры составляет около 0,001 светового года. По другим данным, объект сфотографированный телескопом Event Horizon, является сверхмассивной чёрной дырой.
Измерение скорости микроволновых источников В 1995 году группа под руководством Дж. Морана наблюдала точечные микроволновые источники, вращающиеся в непосредственной близости от центра галактики NGC 4258. Наблюдения проводились при помощи радиоинтерферометра, включавшего сеть наземных радиотелескопов, что позволило наблюдать центр галактики с угловым разрешением 0,001″. Всего было обнаружено 17 компактных источников, расположенных в дискообразной структуре радиусом около 10 световых лет. Источники вращались в соответствии с кеплеровским законом (скорость вращения обратно пропорциональна квадратному корню из расстояния), откуда масса центрального объекта была оценена как 4 масс солнца, а верхний предел радиуса ядра — 0,04 светового года.
Наблюдение траекторий отдельных звёзд В 1993—1996 годах А. Экарт и Р. Генцель наблюдали движение отдельных звёзд в окрестностях центра нашей Галактики. Наблюдения проводились в инфракрасных лучах, для которых слой космической пыли вблизи ядра галактики не является препятствием. В результате удалось точно измерить параметры движения 39 звёзд, находящихся на расстоянии от 0,13 до 1,3 светового года от центра галактики. Было установлено, что движение звёзд соответствует кеплеровскому, при котором центральное тело массой 2,5 масс солнца и радиусом не более 0,05 светового года соответствует положению компактного радиоисточника Стрелец-А (Sgr A).
Сверхмассивная чёрная дыра в центре Млечного Пути Масса сверхмассивной чёрной дыры, по разным оценкам, составляет от двух до пяти миллионов солнечных масс.
Наблюдения в радиодиапазоне Долгое время центр нашей Галактики, приблизительное положение которого (созвездие Стрельца) было известно по оптическим наблюдениям, не был ассоциирован ни с каким компактным астрономическим объектом. Только в 1960 году Дж. Оорт и Г. Рогур установили, что в непосредственной близости (менее 0,03°) от галактического центра находится радиоисточник Стрелец A* (Sgr A*). В 1966 году Д. Даунс и А. Максвелл, обобщив данные по радионаблюдениям в дециметровом и сантиметровом диапазонах, пришли к выводу, что малое ядро Галактики представляет собой объект диаметром 10 пк, связанный с источником Стрелец-А.
К началу 1970-х годов благодаря наблюдениям в радиоволновом диапазоне было известно, что радиоисточник Стрелец-А имеет сложную пространственную структуру. В 1971 году Даунс и Мартин, проводя наблюдения на Кембриджском радиотелескопе с базой 1,6 км на частотах 2,7 и 5 ГГц с разрешением около 10’, выяснили, что радиоисточник состоит из двух диффузных облаков, находящихся на расстоянии 1’ друг от друга: восточная часть (Sgr A) излучает радиоволновой спектр нетермической природы, а западная (Sgr A*) представляет собой радиоизлучающее облако горячего ионизированного газа диаметром около 45" (1,8 пк). В 1974 году Б. Балик и С. Сандерс провели на 43-метровом радиотелескопе Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO) картографирование радиоисточника Стрелец-А на частотах 2,7 и 8,1 ГГц с разрешением 2". Было обнаружено, что оба радиоисточника представляют собой компактные образования диаметром менее 10" (0,4 пк), окружённые облаками горячего газа.
Начало наблюдений в инфракрасном диапазоне