Астрономы нашли чёрную дыру, разорвавшую звезду вдали от центра галактики

После этого за событием наблюдали Keck, Lick, «Хаббл», Swift, Chandra, XMM-Newton и радиотелескопы VLA. Статья появилась на сервере препринтов arXiv 28 сентября.

Зачем искать «блуждающие» чёрные дыры

Массивные чёрные дыры обычно находятся в центрах крупных галактик, но недавно нашли и «блуждающие» — далеко от центра. Они могли оказаться там из-за гравитационно-волновой отдачи, выброса по принципу «рогатки», остановившегося сближения при слиянии галактик или долгоживущих двойных и тройных систем.

Найти такие дыры трудно: они не питаются активно и не дают постоянного сигнала. Выручают приливные разрушения звёзд (TDE): когда звезда подходит слишком близко, её разрывает, и яркая вспышка в разных диапазонах выдаёт положение дыры.

Что показали наблюдения

Исследование возглавил Итай Сфаради из Калифорнийского университета. Оптические и ультрафиолетовые данные дали ZTF, «Хаббл» и Swift UVOT, спектры — Keck и Lick, рентгеновские — Chandra и XMM-Newton, радиоданные — VLA.

Оптическая кривая блеска достигла пика за 30 дней, а затем медленно спадала около 100 дней. Температура составила примерно 20 000 кельвинов и более месяца после пика не менялась. Событие произошло в 1,08 килопарсека (около 3500 световых лет) от центра галактики.

Рентгеновского излучения от самого TDE не нашли. Слабый рентгеновский источник зафиксировали, но, скорее всего, он исходит из ядра галактики. Около 40% оптических TDE позже становятся яркими в рентгене, однако авторы называют отсутствие сигнала «не беспрецедентным»: некоторые такие события остаются очень тусклыми годами.

По яркости и времени развития вспышка похожа на обычные TDE, а по пиковой яркости, длительности и размеру галактики близка к другому внецентровому событию — TDE 2024tvd. В спектре виден широкий водородный пик, поэтому событие отнесли к типу TDE-H, где есть только линии водорода. Вместе с голубым цветом, стабильно высокой температурой и положением вне ядра это подтверждает, что перед учёными настоящий TDE.

«Мы заключаем, что TDE 2023mfm — это внеядерный TDE-H», — говорят авторы.

Массу чёрной дыры тремя методами оценили примерно в 1–10 млн масс Солнца — это похоже на многие известные TDE.

Как дыра могла оказаться вдали от центра

Первый сценарий — дыра осталась от небольшой галактики, которая столкнулась с родительской. Следов недавнего крупного слияния нет, но малое исключить нельзя. На месте дыры есть скопление звёзд массой около 10–100 млн масс Солнца, однако для такой дыры оно слишком лёгкое, поэтому у малой галактики должна была быть сильно «ободрана» звёздная часть.

Второй — дыру выбросило из тройной системы массивных чёрных дыр из-за гравитационно-волновой отдачи. По оценке авторов, так может объясняться около 1% TDE; при примерно 250 известных оптических TDE один такой случай вполне вероятен.

Третий: две чёрные дыры слились, а испущенные гравитационные волны вытолкнули получившийся объект из центра.

Два последних варианта отпадают по одной причине: в центре галактики есть собственная чёрная дыра, о чём говорит слабое активное галактическое ядро. Значит, в галактике две чёрные дыры, а это делает правдоподобным сценарий малого слияния.

Что с радиосигналом

«Радиоизлучение, напротив, рассказывает другую историю», — пишут исследователи. Радиотелескопы ничего не видели от TDE 2023mfm, пока примерно на 991-е сутки (около 2,7 года) не появился слабый сигнал, который затем менялся лишь медленно.

В видимом и ультрафиолетовом свете TDE 2023mfm похож на TDE 2024tvd, но в радиодиапазоне ведёт себя иначе: слабо, поздно и медленно. Причиной может быть отсутствие раннего выброса вещества, другая газовая среда вокруг или угол обзора — вопрос открыт. Помочь могут новые радионаблюдения.

«Если радиоизлучение обнаружат и у внеядерного TDE, это может подтвердить наличие внеядерной массивной чёрной дыры и позволит точно измерить расстояние между двумя дырами», — отмечают авторы.

Между прочим. Сверхмассивные чёрные дыры найдены в центре многих галактик, в том числе Млечного Пути. Их средняя плотность, если разделить массу на объём Шварцшильда, может быть очень малой — даже меньше плотности воздуха в нижних слоях атмосферы Земли. Общепринятой теории образования чёрных дыр такой массы пока нет.