Астрономы из МГУ нашли сверхмассивную черную дыру в ультракомпактной галактике

Студент физического факультета и сотрудники Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга МГУ имени М.В. Ломоносова открыли сверхмассивную черную дыру в центре галактики Fornax UCD3, которая относится к редкому классу ультракомпактных карликов. Результаты работы были опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Доклад на эту тему будет представлен на Генеральной ассамблее Международного астрономического союза, которая пройдет в Вене с 20 по 31 августа.

Рисунок 1: Оптическое изображение гигантской эллиптической галактики NGC 1399 и ее спутника UCD3. Левая панель врезки: изображение UCD3 в оранжевом фильтре, полученное на космическом телескопе имени Хаббла. Правая панель врезки: изображение UCD3 в инфракрасном диапазоне, полученное на спектрографе SINFONI. Источник: NASA/STScI/ESO/Afanasiev et al.

Галактика Fornax UCD3 — часть скопления галактик в созвездии Печь (Fornax). Fornax UCD3 относится к весьма редкому и необычному классу ультракомпактных карликов (UCD). Масса таких карликовых галактик составляет несколько десятков миллионов масс Солнца, а их радиус, как правило, не превышает трехсот световых лет. Из-за такого соотношения массы и размера концентрация звезд в ультракомпактных карликах одна из самых больших во Вселенной. 

«Мы открыли сверхмассивную черную дыру в центре галактики Fornax UCD3. Масса черной дыры составляет 3,5 миллиона солнечных масс, почти как в Млечном Пути», — рассказал Антон Афанасьев, первый автор статьи, студент кафедры астрофизики и звездной астрономии отдела астрономии физического факультета МГУ. 

В ходе исследования ученые использовали данные инфракрасного спектрографа интегрального поля SINFONI, который установлен на одном из телескопов VLT в Чили. Обработав полученный спектр излучения, авторы установили зависимость дисперсии скоростей звезд от радиуса в галактике Fornax UCD3. Дисперсия скоростей — это показатель, который демонстрирует, насколько в среднем видимые скорости звезд отличаются от среднего значения. В присутствии массивного объекта, такого как черная дыра, звезды под действием гравитации этого объекта начинают двигаться быстрее, причем в произвольных направлениях. Это приводит к тому, что их средняя скорость не увеличивается, а вот дисперсия сильно растет. В данной галактике ученые наблюдали как раз такое явление: дисперсия скоростей звезд в центре настолько велика, что кроме как присутствием массивной черной дыры ее ничем не получается объяснить. 

Затем ученые сравнили полученную зависимость скорости и дисперсии с динамическими моделями, построенными в предположении той или иной массы центральной черной дыры. В результате авторы выяснили, что наилучшим образом с наблюдениями согласуется модель, которая предполагает массу черной дыры в 3,5 миллиона солнечных масс. Ученые также рассмотрели возможность отсутствия черной дыры, но она была исключена со статистической значимостью в три сигмы (99,7%). 

Открытая авторами черная дыра всего четвертая, обнаруженная в ультракомпактных карликах, и ее масса составляет 4% от полной массы галактики. В обычных галактиках это отношение существенно меньше (около 0,3%). Несмотря на маленькое количество примеров, наличие массивных черных дыр в ультракомпактных карликах считается сильным аргументом в пользу приливного происхождения этих галактик. Согласно этой гипотезе, обычная галактика нормальных размеров в какой-то период своей эволюции прошла слишком близко от другой, более крупной и массивной галактики. В результате близкого прохождения из-за воздействия приливных сил UCD3 потеряла большую часть звезд, находившихся на периферии, и от нее осталось только компактное ядро. 

«Чтобы однозначно утверждать о правильности этой гипотезы, необходимо открыть больше сверхмассивных черных дыр в ультракомпактных карликах. Это является одной из перспектив этой работы. Кроме того, схожую методику можно применить к похожим на ультракомпактных карликов, но более массивным и менее плотным компактным эллиптическим галактикам. В одной из следующих работ мы как раз проведем исследование популяции центральных черных дыр в таких объектах», — заключил ученый. 

Работа проходила в сотрудничестве с учеными из Европейской южной обсерватории (Германия и Чили), Института астрономии Общества Макса Планка, Потсдамского астрофизического института (Германия), Университета штата Мичиган, Университета штата Калифорния в Сан-Хосе, Техасского университета A&M, Университета Юты, Калифорнийского университета (США), Австралийской астрономической обсерватории, Университета Маккуори, Университета Квинсленда (Австралия) и из Швейцарской высшей технической школы Цюриха.