U središtu ultra kompaktne patuljaste galaksije pronađena je supermasivna crna rupa • Marat Mussin • Znanstvena vijest o "Elementima" • Evolucija galaksija, astrofizika, astronomija

Supermasivna crna rupa nalazi se u središtu vrlo kompaktne patuljaste galaksije

Sl. 1. Klaster peći, oko 62 milijuna svjetlosnih godina udaljen od nas, sastoji se od 58 galaksija. Njegov središte nalazi se pored velike galaksije eliptične NGC 1399, koje se gotovo uopće ne razlikuju u ovoj slici, također su ultrakompaktne patuljaste galaksije (zaokružene kvadrat Galaxy NGC 1427A se ne odnosi na njih). Slika iz heritage.stsci.edu

Nedavno u časopisu Mjesečne obavijesti Kraljevskog astronomskog društva Časopis Anton Afanasyev, Igor Chilingaryan, Stefan Miske i njihovi kolege otkrili su i detaljno proučavali supermasivnu crnu rupu u središtu jedne vrlo neobične i rijetke galaksije, UCD3, koji pripada skupini ultrakompaktičnih patuljastih galaksija koje još nisu istraživane. Ovaj rad, koji se provodi uz pomoć spektroskopskih promatranja na jednom od najvećih teleskopa na svijetu, omogućava bolje razumijevanje otajstva podrijetla takvih galaksija.

Svemirski objekti bilo kojeg tipa – planeta, zvijezda, galaksija – ne mogu imati potpuno proizvoljnu masu. Njihovu misu određuju različiti fizički zakoni koji igraju najveću ulogu u stvaranju objekta i njegovoj daljnjoj evoluciji. Tako, na primjermasa obične zvijezde leži u rasponu od oko 0,1 do 200-300 solarnih masa – u tom je rasponu gravitacijska nestabilnost, ili nestabilnost traperica, odgovorna za kompresiju protostelarnog oblaka, najučinkovitiji.

Galaksije su iste, ali na različitim mjerilima: njihove mase kreću se od 108 do 1013 Sunčano je. No, ako se kretamo uz konvencionalnu mjeru kozmičkih masa iz galaksija na "svijetlu" stranu, otkriti će se veliki razmak: klasteri zvijezda (gravitacijski povezani sustavi nekoliko desetaka ili stotine tisuća zvijezda koje se okreću oko zajedničkog središta) slijede: njihove mase se kreću od desetaka tisuća (~ 105) do nekoliko milijuna (~ 106) solarni. To jest, jaz ovdje je dva reda veličine, ako se mjeri u solarne mase. U načelu, ne proizlazi iz bilo čega da se njihove mase preklapaju. Međutim, vrlo dugo vremena, astronomi nisu promatrali svemirske objekte srednje mase, koji bi bili teži od globularnih klastera, ali manji od najmanjih patuljastih galaksija, a na prvi pogled to se čini pogrešnim.

Sve se promijenilo na početku 21. stoljeća, kada su koristili spektroskopsko promatranje, nekoliko neobičnih objekata pronađeno je u blizini središta peći u novoj generaciji teleskopa (Slika 1).Bili su mnogo manji od običnih galaksija i manje patuljastih galaksija, koje su unatoč njihovoj skromnoj veličini već otkrivene dosta. Otkriveni objekti su svjetliji i imaju složeniju strukturu od globularnih klastera, pa su pripisani galaksijama i nazivaju se ultrakompaktne patuljaste galaksije (ultra kompaktna patuljasta galaksija, UCD).

Sada astronomi znaju nekoliko desetaka sličnih galaksija i shvaćaju da su ti objekti, iako rijetki, ali uopće nisu jedinstveni: oni se i dalje nalaze u blizini središnjih regija mnogih galaktičkih klastera.

Veliko pitanje je: kako nastaju ove galaksije? Činjenica je da odsutnost objekata srednjeg mase (od milijun do stotinu milijuna solarnih) dobro objašnjavaju astrofizici. Previše masivnih kuglastih klastera su gravitativno nestabilni, nema tamne tvari u njima i zvijezde na vanjskim putevima će imati takvu veliku brzinu da lako prevladaju atrakciju drugih zvijezda i lete u svemir. Galaksije imaju drugačiju priču. Ako bi se uvelike pojednostavili, formirali su se od originalnih fluktuacija gustoće tamne materije u prvim trenucima nakon Big Banga.Što je veća gustoća tih fluktuacija, brže su stvorene galaksije i obratno. Prema modernim kalkulacijama za hipotetske galaksije s masom od nekoliko milijuna solarnih, vrijeme formacije premašuje dob svemira – oni su toliko polagani tako da uopće ne bi ni trebali postojati.

Ali sada su otkriveni pa morate objasniti odakle su došli. A ovo je pravi izazov astrofizicima. Danas postoje tri modela koji tvrde da objašnjavaju mehanizam formiranja UCD galaksija:
1) još uvijek su "gotovo nemoguće" patuljaste galaksije koje su nastale oko fluktuacija rođenih u izvornom obliku, mi jednostavno ne poznajemo njihovu fiziku;
2) to su nekoliko uspješno naišlo na globularne klastere;
3) to su ostaci masivnih patuljastih galaksija čija je vanjska ljuska bila rastrgana plimnim interakcijama s masivne galaksije koja je letjela prošlosti.

Ovi modeli imaju zasluge i demerite, svaki od njih potvrđuju neke opservacijske činjenice i opovrgavaju ih drugi. Model plimnoga abrazija u korist je činjenice da se UCD galaksije (uključujući i one koje će se dalje raspravljati) uglavnom nalaze u blizini središta klastera galaksija: postoji velika gustoća galaksija nakubni parsec, pa je vjerojatno da će dvije galaksije letjeti jedno uz drugo, gravitativno djelujući jedni na druge.

Međutim, glavni argument u korist ovog modela bio je zanimljivo otkriće: na dijagramu mase do svjetlosti sve galaksije UCD leže znatno više od glavne krivulje na kojoj padaju sve druge galaksije. Ovaj grafikon je prilično jednostavan – što je masivna galaksija ili skup galaksija, svjetlija sjaje. Približavanjem poznatih podataka možete nacrtati liniju koja će predvidjeti koji omjer treba biti čak i među onim galaksijama koje se smatraju nepostojećima (na primjer, stotinu puta teže ili sto puta lakši od onih koje promatramo). Ovaj je odnos empirijski izveden 1960-ih, a potom je potvrdio mnoga zapažanja. Dakle, mnoge galaksije UCD leže iznad ove teorijske krivulje za svoje mase galaksija: one su pretjerano masivne za takvu svjetlinu ili, naprotiv, previše su dosadne za njihovu masu. Ako je uzrok tome supermasivna crna rupa (SMHD) u središtu galaksije koja povećava ukupnu masu galaksije, ali, očito,dodaje ništa na svoje svjetlosti, prva dva modela objasniti pojavu galaksija kroz UCD-prvobitnih fluktuacije i kuglastih skupova, bit će još manje uvjerljivo.

Sl. 2. Arhivska slika središnjeg dijela klastera peći, dobivena pomoću Spitzer infracrvenog teleskopa. Na bočnoj traci – UCD3 galaksija slika dobiva teleskop „Hubble” i sliku ovoj galaksiji, obnovljena na rezultatima opažanja s spektograf SINFONI. Fotografije iz članka u raspravi MNRAS

Svi ovi razlozi su motivirani veliku grupu astrofizičara, od kojih su neki znanstvenici iz Rusije – Anton Afanasjev i Igor Chilingaryan – izraditi dugoročne studije galaksije UCD3 (slika 2.) Od grozd Kemijska peć (jedan od najvažnijih studirao tih galaksija) s spektograf SINFONI ( Slika 3) postavljen na Vrlo Veliki Teleskop (VLT, koji se nalazi u Paranal Observatoriju u Čileu).

Sl. 3. Instaliranje SINFONI spektrografa na VLT teleskopu u Čileu. Fotografija iz eso.org

SINFONI pripada novoj klasi Spektrograf, koji je opremljen s integralnim polja Jedinica i prima spektar svakog piksela pojedinačno, a ne samo objekt kao cjelina, kao što je bio prije.Dakle, jedan piksel primljene slike sada ne nosi neku numeričku vrijednost, već puni podatkovni skup; to se čak naziva drugačije – prostorni piksel ili spaksel. Ispada da se treća dimenzija dodaje ravnoj slici: svaka točka na slici ima svoj spektar. Stoga se takve slike nazivaju podatkovnom kockom (Slika 4).

Sl. 4. Primjer MUSE spektrografa datuma kocke za galaksiju NGC 4650A. Ravna slika galaksije prima "dubinu" – sada se svaki piksel može vidjeti na bilo kojoj valnoj duljini. Slika iz eso.org

Ukupno vrijeme promatranja bilo je atipično veliko za takve velike teleskope: ukupno gledao prema galaksiji UCD3 tri i pol sata, a prilagodljiva optika omogućila je postizanje fantastične kutne razlučivosti od 0.18 luk-sekundi po pikselu u IR rasponu (za usporedbu, za obične teleskopi koji djeluju u mnogo prikladnijem opsegu za promatranje, ali bez adaptivne optike, svi podaci s rezolucijom višom od kutne sekunde smatraju se izvrsnim).

Cjelokupna galaksija podijeljena je u četiri koncentrična prstena i dobiveni su prosječni spektri svakog segmenta (Slika 5).Spektar najsvjetlijeg dijela UCD3 pokazao je karakteristično širenje spektralnih linija, što se događa kada se dio zračenja pomiče velikom brzinom od nas i dio nas. Taj se fenomen naziva disperzija brzine, a znanstvenici često koriste za određivanje dinamičkih svojstava višekomponentnih sustava. Iz oblika i širine ovog dijela spektra moguće je odrediti brzinu tijela i izgraditi dinamički model gibanja zvijezda u središnjem dijelu galaksije. Nadalje, mase zvijezda su zamijenjene u ovaj model. Točan broj zvijezda u galaksiji, naravno, nije poznat, ali znanstvenici su već dugo poznati približnu distribuciju i nazvani početna masa funkcija (PFM). Numeričke simulacije uzevši u obzir PFM pokazale su da mase zvijezda nisu dovoljne da se tako brzo okreću u središtu galaksije i da modelu dodaju masu supermasivne crne rupe. Pokazalo se da kretanje zvijezda odgovara zakonima fizike samo s masom SMHD od 3,3 milijuna solarnih. Ovo je prilično snažno otkriće – galaksija UCD3 je oko 100 puta manja od naše, a mase središnjih crnih rupa u njima gotovo su ista!

Sl. 5. Spektar četiriju koncentričnih dijelova galaksije UCD3: središnji krug – na vrhu, najudaljeniji prsten – odozdo, Najizrazitiji dijelovi spektra su na desnoj strani grafikona: To su četiri cijevi apsorpcije ugljičnog monoksida (CO). Što su bliže središtu, šire su te linije, što znači da je disperzija brzine veća. Ovo je jasan pokazatelj prisutnosti SPM u središtu galaksije. Raspored iz članka u raspravi MNRAS

Ovaj je rezultat – također snažan argument u korist teorije plimne abrazije – u dalekoj prošlosti ove galaksije bio trenutak kada je prolazio masivni susjed, koji je svojim gravitacijom uklonio neke od zvijezda i plin iz UCD3 (koji u to vrijeme još nije bio ultrakompakt, i bio je obična patuljasta galaksija). Do sada, astronomi ne mogu naći galaksiju lopova, a nije činjenica da će se naći, ali čak i bez toga, teorija se čini prilično slabom.

Još jedna potvrda modela abrazije plime je omjer masa SMHD i cijele galaksije: crna rupa čini 4% zvjezdane mase galaksije – ovo je puno. Takve ogromne crne rupe ne mogu i ne bi se trebale formirati u tako malim i kompaktnim galaksijama – jednostavno nemaju dovoljno materijala za gradnju!

Ranija promatranja drugih istraživačkih skupina otkrila su nekoliko sličnih superkompaktnih patuljastih galaksija iz virginog klastera – M60-UCD1, M59cO, VUCD3. Mase crnih rupa koje su identificirali mnogo manje točno, ali je još uvijek oko milijun sunčanih. A to su jedine galaksije UCD koje su pouzdano utvrdile postojanje supermasivnih crnih rupa. No, u nedavnoj studiji dviju UCD-galaksija iz skupine Centaurus A, nije bilo moguće otkriti dovoljno velike anomalije njihovog spektra (KT Voggel et al., 2018. Ultra kompaktne patuljaste galaksije u Centaurusu A). ). To jest, ako postoje supermasivne crne rupe, onda njihove mase ne mogu prijeći samo stotine tisuća solarnih.

Nedostatak jasne predvidljivosti prisutnosti crnih rupa u središtima UCD galaksija može ukazivati ​​da bi barem dva od tri modela njihove formacije mogla biti točna: neke od tih galaksija pojavljuju se nakon prolaska masivnog susjeda i kasnije deflacije vanjskog sloja plina i zvijezda, a neke galaksije mogu biti ekstremna klasa globularnih skupina koje su iz nekog razloga uspjele nakupiti neobično veliku masu u sebi.

Za detaljnije proučavanje UCD-galaksija, mali uzorak još uvijek otežava – oni su toliko mali, a kompaktnost i malena svjetlina nameću dodatna ograničenja.Nijedan od postojećih teleskopa na Zemlji ili u svemiru ne može provoditi spektroskopska promatranja takvih galaksija na udaljenosti većoj od 25 megaparata iz Zemlje (tj. Izvan lokalne skupine). Ipak, istraživanje takvih galaksija je vrlo važno – omogućuje ne samo proučavanje galaksija u masovnoj regiji, koja je prethodno smatrana praznom (između globularnih klastera i običnih patuljastih galaksija), ali i preciznije procjenjuje broj i gustoću distribucije supermasivnih crnih rupa u Svemiru.

izvor: Anton V. Afanasiev, Igor V. Chilingarian, Steffen Mieske i sur. 3,5 milijuna solarnih masa crne rupe za ultraxact patuljast galaksija fornax UCD3 // Mjesečne obavijesti Kraljevskog astronomskog društva, 2018. DOI: 10.1093 / mnras / sty913.

Marat Musin


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: