Омега Центавра - гигантское звездное скопление с массой около 5 миллионов солнечных. По форме оно похоже на шаровое, однако детальный анализ его свойств давно заставил ученых усомниться в том, что мы просто имеем дело с самым большим шаровым скоплением нашей Галактики. Полагают, что Омега Центавра - это небольшая галактика, захваченная нашей около 10 миллиардов лет назад и "ободранная", т.е. мы видим лишь плотное ядро, а внешние звездные оболочки карликовой галактики были разрушены приливными силами. Звезды из этих внешних частей просто вошли в состав нашей Галактики. На такое происхождение указывают многие свойства Омега Центавра, например, разнообразный звездный состав, который требует нескольких эпизодов звездообразования (у шаровых скоплений звезды имеют примерно одинаковый возраст и химический состав, хотя совсем недавно и у обычных шаровиков стали обнаруживать некоторое разнообразие звездных населений). Омега Центавра - не единственное скопление, для которого заподозрено, что в прошлом оно было самостоятельной галактикой. Кроме того, сейчас мы видим процесс поглощения карликовой галактики в Стрельце (шаровое скопление М54 может быть ядром этой галактики). Тем не менее, Омега Центавра - самое крупное скопление и его изучение представляет особый интерес.

Если это скопление когда-то было самостоятельной галактикой, то вполне можно заподозрить, что в его центре сидит массивная черная дыра, поскольку современные данные говорят нам, что каждая галактика с массивным балджем (сферической составляющей) имеет черную дыру. Чем массивнее балдж - тем массивнее черная дыра.

Рисунок 2. Скопление Омега Центавра (NGC 5139).

Авторы статьи провели детальное исследование распределения звездной плотности в скоплении, а также скоростей звезд. Дело в том, что наличие большой центральной массы приводит к небольшому пику - каспу - в распределении звезд, а кроме того, массивный объект будет заставлять звезды вращаться быстрее - т.е. возрастет дисперсия скоростей в самой центральной области скопления (к сожалению, измерять скорости отдельных звезд в скоплении трудно из-за их высокой пространственной плотности, поэтому определяют дисперсию).

На верхнем рисунке показано два распределения плотности в скоплении. Нижняя кривая соответствует распределению звезд - светящегося вещества. Грубо говоря, просто "подсчитано" число звезд в единице объема, что дает массу. Верхняя отражает вклад темной составляющей массы. Эта кривая получена по результатам изучения распределения скоростей звезд в центральной части скопления. Ведь скорости звезд не зависят от того светится притягивающее их вещество или нет. Дисперсия скоростей звезд определяются по спектру. Исследуются спектральные линии, которые смещаются из-за эффекта Доплера. Измеряя дисперсию скоростей звезд на разном расстоянии от центра скопления можно построить профиль распределения массы в нем.

Существенная разница между двумя кривыми говорит о том, что в центре скопления есть невидимая масса. Темная составляющая доминирует только в центре, что говорит о том, что масса ее не велика по сравнению с полной звездной массой скопления, а также о том, что невидимое вещество сильно сконцентрировано в центральной части.

Итак, из рисунка видно, что что-то темное сидит в центральной части скопления. Что это может быть? Конечно, это может быть одна массивная черная дыра. Но, может быть, есть какие-то альтернативы? Например, это может быть скопление 10 000 звездных остатков (нейтронных звезд или черных дыр. Анализ такой возможности с помощью численных моделей показывает, что подобная структура не могла образоваться в Омега Центавра. Значит, мы имеем дело с одной черной дырой.

Напомню, что наблюдается два типа черных дыр: звездных масс и сверхмассивные. Первые образуются после коллапса массивных звезд. Соответственно, массы таких черных дыр лежат в пределах от единиц до нескольких десятков масс Солнца. Вторые находятся в центрах множества галактик (см. обзор). Сверхмассивные черные дыры набирают свою массу за счет аккреции газа и темной материи, а также за счет слияний с другими центральными черными, когда происходит слияние галактик. Если галактика достаточно массивна, то черная дыра может вырасти до нескольких миллиардов масс Солнца. Однако в решении вопроса о росте массы сверхмассивных черных дыр еще много неясностей (см., например, статьи 0705.2269 и astro-ph/0506040). Кроме того, астрофизики говорят и о черных дырах промежуточных масс. Во-первых, об этом идет речь при обсуждении т.н. ультрамощных рентгеновских источников. Во-вторых, черные дыры промежуточных масс заподозрены у двух шаровых скоплений. В случае Омега Центавра мы, скорее всего, имеем дело с родственницей сверхмассивных черных дыр. Т.е., механизм образования черной дыры был таким же, как и у ее "родственников" в центрах галактик. Такой механиз не должен работать для обычных шаровых скоплений, поскольку история их формирования и жизни иная.

Рисунок 3. Зависимость массы центральной черной дыры от дисперсии скоростей в балдже галактики или в центральной области скопления. Масса черной дыры отложена по вертикальной оси (масштаб логарифмический, массы выражены в массах Солнца)). Дисперсия скоростей звезд - по горизонтальной (снова в логарифмическом масштабе в км/с). Большая дисперсия скоростей соответсвует большой массе сферической составляющей.

На рисунке 3 показана известная зависимость между массами черных дыр и дисперсией скоростей звезд. Дисперсия определяется из спектральных наблюдений. Для определения масс черных дыр существует несколько способов, дающих достаточно хорошие оценки (неопределенности показаны "усами" у точек). Например, метод реверберационного картирования или интереснейший способ, связанный с детальным изучением свойств диска вокруг черной дыры по данным о линзировании. Но разговор о всех методах определения масс сверхмассивных черных дыр увел бы нас далеко в сторону.

Кроме галактик нанесены точки для двух шаровых скоплений и для Омега Центавра. Видно, что точки для черных дыр в скоплениях и в галактиках лежат примерно на одной прямой. Т.е., "семейный портрет" черных дыр подтверждает их "родство".

Безусловно, данные, полученные Нойола и др. будут проверяться и уточняться. Дело в том, что анализ скоростей звезд в столь плотном скоплении дело непростое. Тем не менее, результаты качественно выглядят очень надежными.

Было бы интересно увидеть какую-то активность черной дыры, например в рентгеновском или инфракрасном диапазонах. "Наша" черная дыра, являясь очень спокойным монстром, тем не менее выдает себя своей активностью. Может быть что-то подобное удастся открыть и в Омега Центавра, ведь теперь начнется настоящая охота на диковинного зверя. Масса черной дыры в Омега Центавра в сто раз меньше, чем масса черной дыры в центре нашей Галактики. Кроме того, в Омега Центавра меньше газа, который мог бы аккрецировать на черную дыру. Поэтому вероятно, что наблюдательные проявления свежеоткрытой дыры будут слабее, и не зря за все годы исследований Омега Центавра никакого проявления "монстра" не увидели. Но сейчас появился мотив для более глубокого поиска. Он вполне может привести к успеху.

Источник: Нойола и др. [Noyola E. et al.] arXiv:0801.2782