Астрофизики объявили о крупнейшем в истории открытии черных дыр

DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) — современный астрономический прибор, способный одновременно улавливать свет от пяти тысяч галактик, разлагая его на спектры. Спектроскопический инструмент работает с 2020 года, он установлен на четырехметровом телескопе Mayall в Национальной обсерватории Китт-Пик (штат Аризона, США).

Прибор DESI предназначен для изучения темной энергии, точнее — исследует влияние темной энергии на скорость расширения Вселенной. Он получает оптические спектры десятков миллионов галактик и квазаров и строит трехмерную карту, охватывающую Вселенную на расстоянии 11 миллиардов световых лет. К 2026 году DESI должен собрать информацию о 40 миллионах таких объектов.

Международная команда астрофизиков под руководством Рагадипики Пучи (Ragadeepika Pucha) из Университета Юты (США) проанализировала обширный пакет данных DESI, охватывающий 20 процентов наблюдений первого года работы прибора. В выборку вошли спектры 410 тысяч галактик, включая 115 тысяч карликовых — тусклых систем с малым количеством газа.

Карликовые галактики — небольшие космические объекты, в которых содержится гораздо меньше светил (от нескольких тысяч до нескольких миллиардов), чем в крупных галактиках вроде нашего Млечного Пути. Из-за скромных размеров и тусклого свечения ученые долго не могли изучать процессы, происходящие в центрах карликовых галактик. Современные телескопы не могли рассмотреть мелкие детали.

Ситуация изменилась, когда ученые сосредоточились на поиске активных ядер галактик (АЯГ). Так называют черные дыры, которые активно поглощают окружающую материю — газ, пыль, звезды. В процессе этого «пиршества» материя разгоняется до околосветовых скоростей, нагревается и начинает ярко светиться, испуская огромное количество энергии в разных диапазонах электромагнитного излучения. Это превращает черную дыру в мощный космический «прожектор», который даже в тусклой карликовой галактике можно заметить на огромном расстоянии.

Именно такие сигналы стал искать DESI. Его сверхточные датчики способны уловить характерные «подписи» активных черных дыр в спектрах света — например, линии ионизированного газа, который вращается вокруг дыры на огромных скоростях. Благодаря этому инструмент смог обнаружить тысячи скрытых объектов, которые раньше оставались незамеченными из-за технических ограничений.

Среди данных спектроскопа исследователи выявили 2500 кандидатов в карликовые галактики с активными ядрами. Это в четыре раза больше, чем находили в прошлые разы похожими инструментами. Дальнейший анализ показал, что лишь два процента карликовых систем демонстрируют признаки АЯГ. Это указывает на то, что большинство черных дыр в них либо спят, либо остаются незамеченными.

Отдельный прорыв — обнаружение 300 кандидатов в черные дыры промежуточной массы (от сотен до миллионов масс Солнца). До сих пор наука знала лишь о 100-150 кандидатах в такие объекты.

Большинство черных дыр, известных ученым, либо послезвездные (от 10 до нескольких десятков масс Солнца), либо сверхмассивные (более чем в миллион раз больше массы Солнца). Черные дыры промежуточной массы плохо изучены, но предполагается, что они — «семена» сверхмассивных черных дыр, которые сегодня расположены в центре крупных галактик. Кроме того, существует вероятность, что эти объекты — реликты самых первых черных дыр, образовавшихся после Большого взрыва. Если они дошли до наших дней, то представляют собой «живые реликвии» ранней космологии, сохранившие информацию о физических условиях и процессах очень молодой Вселенной.

Парадоксально, но лишь 70 из 300 кандидатов в черные дыры промежуточной массы совпали с карликовыми галактиками. Это противоречит существующей гипотезе о том, что эти объекты чаще формируются именно в карликовых системах.

«‎Возможно, мы сталкиваемся с новыми механизмами образования черных дыр или особенностями их роста», — пояснила американский астрофизик Стефани Жюно (Stephanie Juneau), соавтор исследования из Национальной исследовательской лаборатории оптической и инфракрасной астрономии.

Успех DESI связан с его технологиями. Каждый из 5000 оптоволоконных датчиков инструмента имеет диаметр всего 10 микрон, что позволяет фокусироваться на ядрах галактик, избегая «засветки» от их окраин.

Открытие команды Пучи поднимает новые вопросы. Почему так мало черных дыр промежуточной массы связаны с карликовыми галактиками? Как они влияют на эволюцию «хозяев»? Существует ли связь между механизмами образования черных дыр и типами галактик, в которых они обитают? Поиск ответов может изменить представление ученых о формировании черных дыр. С продолжением работы DESI исследователи ожидают еще больше сюрпризов.

Выводы ученых представлены в статье, опубликованной в The Astrophysical Journal.