Et supermassivt sort hul er et sort hul med en masse på 10 5 -10 11 solmasser . Supermassive sorte huller er blevet fundet i centrum af mange galakser , inklusive Mælkevejen [2] .
Supermassive sorte huller har specifikke egenskaber, der adskiller dem fra mindre sorte huller:
Der er ingen generelt accepteret teori om dannelsen af sorte huller af en sådan masse. Der er flere hypoteser, hvoraf den mest oplagte er hypotesen, der beskriver den gradvise stigning i massen af et sort hul ved tilvækst af stof til et sort hul med stjernemasse. En anden hypotese antyder, at supermassive sorte huller dannes, når store gasskyer kollapser og forvandles til en relativistisk stjerne med en masse på flere hundrede tusinde solmasser eller mere. En sådan stjerne bliver hurtigt ustabil over for radiale forstyrrelser på grund af processerne til dannelse af elektron-positron-par, der forekommer i dens kerne, og kan straks kollapse i et sort hul. I dette tilfælde går kollapset uden om supernovastadiet , hvor eksplosionen ville sprede det meste af massen og forhindre dannelsen af et supermassivt sort hul . En anden model antyder, at supermassive sorte huller kan dannes som et resultat af sammenbrud af tætte stjernehobe, når systemets negative varmekapacitet bringer hastighedsspredningen i kernen til relativistiske værdier. Endelig kunne primordiale sorte huller være dannet fra indledende forstyrrelser umiddelbart efter Big Bang . .
Vanskeligheden ved dannelsen af et supermassivt sort hul ligger i, at en tilstrækkelig mængde stof hertil skal koncentreres i et relativt lille volumen. For at gøre dette skal sagen have et meget lille indledende vinkelmomentum - det vil sige en langsom rotation. Sædvanligvis begrænses hastigheden af tilvækst på et sort hul præcist af vinkelmomentet af det indfaldende stof, som grundlæggende skal overføres tilbage udad, hvilket begrænser væksthastigheden af det sorte huls masse (se tilvækstskiven ) .
Der er et hul i massefordelingen i den observerede liste over sorte hul-kandidater. Der er sorte huller med stjernemasse, dannet ved sammenbrud af stjerner, hvis masser strækker sig, sandsynligvis op til 33 solmasser. Den minimale masse af supermassive sorte huller ligger i området 10 5 solmasser (med en maksimal værdi på ikke mere end 5·10 10 solmasser [6] ). Det mest massive sorte hul opdaget, SDSS J140821.67+025733.2, har en masse på 1,96 10 11 solmasser [7] . Mellemmasse sorte huller burde ligge mellem disse værdier , men et sådant sort hul ( HLX-1 , opdaget af det australske radioteleskop CSIRO den 9. juli 2012) kendes kun i en enkelt kopi [8] , hvilket er et argument i fordel for forskellige mekanismer til dannelse af lette og tunge sorte huller. Nogle astrofysiske modeller [9] forklarer imidlertid de karakteristiske træk ved superlyse røntgenkilder som at indeholde netop sådanne sorte huller (mellemmasser).
Der er næsten intet mørkt stof i Leo I dværggalaksen , men der er et supermassivt sort hul i midten med en masse på ~3 millioner M⊙ . Forskere har ingen forklaring på, hvordan et supermassivt sort hul dukkede op i en dværg sfærisk galakse [10] .
I øjeblikket er den eneste pålidelige måde at skelne et sort hul fra en anden type objekt på at måle objektets masse og størrelse og sammenligne dets radius med gravitationsradius , som er givet ved
.
hvor er gravitationskonstanten, er objektets masse, er lysets hastighed .
I dag er opløsningen af teleskoper utilstrækkelig til at skelne mellem områder i rummet i størrelsesordenen af gravitationsradius for et sort hul. Derfor er der en vis grad af antagelse i identifikation af supermassive sorte huller. Det menes, at den fastsatte øvre størrelsesgrænse for disse objekter er utilstrækkelig til at betragte dem som klynger af hvide eller brune dværge , neutronstjerner , sorte huller med almindelig masse .
Der er mange måder at bestemme massen og de omtrentlige dimensioner af et supermassivt legeme, men de fleste af dem er baseret på måling af karakteristikaene for kredsløb af objekter, der roterer omkring dem (stjerner, radiokilder, gasformige skiver). I det enkleste og mest almindelige tilfælde sker vendingen langs Kepler-baner, hvilket fremgår af proportionaliteten af satellittens rotationshastighed til kvadratroden af kredsløbets semi-hovedakse :
.
I dette tilfælde findes massen af det centrale legeme ved den velkendte formel
.
I en række tilfælde, når satellitobjekter er et kontinuerligt medium (en gasformig skive, en tæt stjernehob), som påvirker banens karakteristika ved dens tyngdekraft, opnås den radiale massefordeling i den galaktiske kerne ved at løse den så- hedder. kollisionsfri Bernoulli-ligning .
Den vigtigste metode til at søge efter supermassive sorte huller på nuværende tidspunkt er undersøgelsen af fordelingen af lysstyrke og stjerners bevægelseshastighed afhængigt af afstanden til galaksens centrum [11] .
Fordelingen af lysstyrke tages ved fotometriske metoder, når der fotograferes galakser med høj opløsning, stjernernes hastighed - ved rødforskydning og udvidelse af absorptionslinjer i en stjernes spektrum .
Med fordelingen af stjernehastigheden kan man finde den radiale fordeling af masser i galaksen. For eksempel, med en elliptisk symmetri af hastighedsfeltet giver løsningen af Bernoulli-ligningen følgende resultat:
,
hvor er rotationshastigheden, og er de radiale og azimutale projektioner af hastighedsspredningen, er gravitationskonstanten, er tætheden af stjernestof, som normalt antages at være proportional med lysstyrken .
Da et sort hul har en stor masse ved lav lysstyrke, kan et af tegnene på tilstedeværelsen af et supermassivt sort hul i centrum af galaksen være et højt masse-til-lysstyrke-forhold for den galaktiske kerne. En tæt klynge af almindelige stjerner har et forhold i størrelsesordenen én (masse og lysstyrke er udtrykt i solens masser og lysstyrker), så værdierne (for nogle galakser ) indikerer tilstedeværelsen af en supermassiv sort hul. Men alternative forklaringer på dette fænomen er mulige: klynger af hvide eller brune dværge, neutronstjerner, sorte huller med almindelig masse .
For nylig, takket være stigningen i opløsningen af teleskoper, er det blevet muligt at observere og måle hastighederne af individuelle objekter i umiddelbar nærhed af galaksernes centrum. Ved hjælp af FOS (Faint Object Spectrograph)-spektrografen fra Hubble-rumteleskopet opdagede en gruppe ledet af H. Ford en roterende gasstruktur i midten af M87-galaksen [12] . Gasrotationshastigheden i en afstand på omkring 60 lysår fra galaksens centrum var 550 km/s, hvilket svarer til en Kepler-bane med en central kropsmasse på omkring 3⋅10 9 solmasser. På trods af den gigantiske masse af det centrale objekt kan det ikke siges med sikkerhed, at det er et sort hul, da gravitationsradiusen for et sådant sort hul er omkring 0,001 lysår. . Ifølge andre kilder er objektet fotograferet af Event Horizon-teleskopet et supermassivt sort hul [13] .
I 1995 observerede en gruppe ledet af J. Moran punktmikrobølgekilder, der roterede i umiddelbar nærhed af centrum af galaksen NGC 4258 [14] . Observationerne blev udført ved hjælp af et radiointerferometer, som omfattede et netværk af jordbaserede radioteleskoper, som gjorde det muligt at observere galaksens centrum med en vinkelopløsning på 0,001″. I alt 17 kompakte kilder blev opdaget, placeret i en skivelignende struktur med en radius på omkring 10 lysår. Kilderne roterede i overensstemmelse med Kepler-loven (rotationshastigheden er omvendt proportional med kvadratroden af afstanden), hvorfra massen af det centrale objekt blev estimeret til 4⋅10 7 masser af solen, og den øvre grænse for kerneradius var 0,04 lysår .
I 1993-1996 observerede A. Eckart og R. Genzel bevægelsen af individuelle stjerner i nærheden af centrum af vores galakse [15] . Observationerne blev udført i infrarøde stråler, for hvilke laget af kosmisk støv nær den galaktiske kerne ikke er en hindring. Som et resultat var det muligt nøjagtigt at måle bevægelsesparametrene for 39 stjerner placeret i en afstand på 0,13 til 1,3 lysår fra galaksens centrum. Det blev fundet, at stjernernes bevægelse svarer til den Keplerske, hvori det centrale legeme med en masse på 2,5⋅10 6 solmasser og en radius på højst 0,05 lysår svarer til positionen af den kompakte radiokilde Skytten- A (Sgr A) .
Massen af et supermassivt sort hul er ifølge forskellige skøn fra to til fem millioner solmasser.
I lang tid var centrum af vores galakse, hvis omtrentlige position (stjernebilledet Skytten) var kendt fra optiske observationer, ikke forbundet med noget kompakt astronomisk objekt. Først i 1960 konstaterede J. Oort og G. Rogur, at der i umiddelbar nærhed (mindre end 0,03°) af det galaktiske centrum er en radiokilde Sagittarius A* (Sgr A*) [16] . I 1966 kom D. Downes og A. Maxwell, der opsummerede data fra radioobservationer i decimeter- og centimeterområdet, til den konklusion, at den lille kerne i galaksen er et objekt med en diameter på 10 pct., der er forbundet med Skytten-A kilde [17] .
I begyndelsen af 1970'erne var det, takket være observationer i radiobølgeområdet, kendt, at Sagittarius-A-radiokilden har en kompleks rumlig struktur. I 1971 fandt Downes og Martin, der observerede med Cambridge Radio Telescope med en base på 1,6 km ved frekvenser på 2,7 og 5 GHz med en opløsning på omkring 10 ', at radiokilden består af to diffuse skyer placeret i en afstand af 1 ' fra hinanden: den østlige del (Sgr A) udsender et radiobølgespektrum af ikke-termisk natur, og den vestlige del (Sgr A *) er en radioemitterende sky af varm ioniseret gas med en diameter på omkring 45" ( 1,8 pct.) [18] . I 1974 udførte B. Balik og S. Sanders kortlægning af Sagittarius-A-radiokilden ved frekvenser på 2,7 og 8,1 GHz med en opløsning på 2" på Nationalts 43-meters radioteleskop. Radio Astronomy Observatory (NRAO) [19] . Begge radiokilder viste sig at være kompakte formationer mindre end 10" i diameter (0,4 pct.) omgivet af skyer af varm gas.
Indtil slutningen af 1960'erne var der ingen effektive værktøjer til at studere de centrale områder af galaksen, da tætte skyer af kosmisk støv, der dækker den galaktiske kerne fra observatøren, fuldstændig absorberer den synlige stråling, der kommer fra kernen og komplicerer arbejdet betydeligt i radiorækkevidden.
Situationen har ændret sig radikalt på grund af udviklingen af infrarød astronomi, hvor kosmisk støv er praktisk talt gennemsigtigt. Tilbage i 1947 scannede Stebbins og A. Whitford ved hjælp af en fotoelektrisk celle den galaktiske ækvator ved en bølgelængde på 1,03 μm, men detekterede ikke en diskret infrarød kilde [20] . V. I. Moroz i 1961 udførte en lignende scanning af nærheden af Sgr A ved en bølgelængde på 1,7 mikron og mislykkedes også. [21] . I 1966 scannede E. Böcklin Sgr A-området i området 2,0-2,4 µm og opdagede for første gang en kilde, der i position og størrelse svarede til Sagittarius-A-radiokilden.
I 1968 scannede E. Böcklin og G. Neugebauer for bølgelængder på 1,65, 2,2 og 3,4 μm med en opløsning på 0,08-1,8" og opdagede et objekt med kompleks struktur, bestående af en infrarød hovedkilde med en diameter på 5 ', et kompakt objekt inden i det, et udvidet baggrundsområde og flere kompakte stjernelignende kilder i umiddelbar nærhed af hovedkilden [22] .
I midten af 1970'erne begyndte forskningen i de dynamiske egenskaber ved observerede objekter. I 1976 undersøgte E. Wollman ved hjælp af spektrale metoder (ved anvendelse af neon Ne II-emissionslinjen med en bølgelængde på 12,8 μm) gassernes hastighed i et område med en diameter på 0,8 ps omkring det galaktiske centrum. Observationer har vist symmetrisk gasbevægelse med hastigheder på omkring 75 km/s. Ud fra de opnåede data gjorde Wollman et af de første forsøg på at estimere massen af et objekt, formodentlig placeret i centrum af galaksen. Den øvre massegrænse, som han opnåede, viste sig at være 4⋅10 6 solmasser [23] .
En yderligere stigning i teleskopernes opløsning gjorde det muligt at udskille flere kompakte infrarøde kilder i gasskyen, der omgiver galaksens centrum. I 1975 kompilerede E. Böcklin og G. Neugebauer et infrarødt kort over galaksens centrum for bølgelængder på 2,2 og 10 μm med en opløsning på 2,5", hvorpå 20 isolerede kilder blev identificeret, kaldet IRS1-IRS20 [24] . Fire af dem (1, 2, 3, 5) faldt i position sammen med komponenterne i Sgr A-radiokilden kendt fra radioobservationer, viste sig at være en meget tæt (10 6 solmasser pr. kubik parsec) hob af kæmpestjerner og dværge. De resterende kilder var formentlig kompakte H II-skyer og planetariske tåger, hvoraf nogle indeholdt stjernekomponenter [25] . De enkelte kilders længdehastighed var inden for ± 260 km/s, diameter var 0,1-0,45 pct., masse 0,1-10 solmasser, afstand fra centrum af galaksen 0,05–1,6 pc Massen af det centrale objekt blev estimeret til 3⋅10 6 solmasser a, det samme var rækkefølgen af massen fordelt i et område med en radius på 1 pc omkring midten. Da den sandsynlige fejl i beregningen af masserne var af samme størrelsesorden, blev muligheden for fravær af et centralt legeme tilladt, mens massen fordelt inden for en radius på 1 pc blev estimeret til 0,8–1,6⋅10 7 solmasser [26] .
Det næste årti var præget af en gradvis stigning i opløsningen af optiske instrumenter og opdagelsen af en stadig mere detaljeret struktur af infrarøde kilder. I 1985 blev det klart, at den mest sandsynlige placering af det centrale sorte hul er en kilde betegnet som IRS 16. To kraftige strømme af ioniseret gas blev også detekteret, hvoraf den ene roterede i en cirkulær bane i en afstand af 1,7 pct. centrum af galaksen, og den anden - langs den parabolske i en afstand på 0,5 pc. Massen af det centrale legeme, beregnet ud fra hastigheden af disse strømme, var 4,7⋅10 6 solmasser for den første strøm og 3,5⋅10 6 solmasser for den anden [27] .
I 1991 blev Sharp I infrarød array-detektoren sat i drift ved det 3,5 meter lange teleskop af European Southern Observatory (ESO) i La Silla (Chile). Et kamera med en rækkevidde på 1-2,5 μm gav en opløsning på 50 vinkel μs pr. 1 pixel matrix. Derudover blev der installeret et 3D-spektrometer på det 2,2 meter lange teleskop på samme observatorium.
Med fremkomsten af højopløselige infrarøde detektorer blev det muligt at observere individuelle stjerner i de centrale områder af galaksen. En undersøgelse af deres spektrale karakteristika viste, at de fleste af dem tilhører unge stjerner, der er flere millioner år gamle. I modsætning til tidligere accepterede synspunkter blev det fundet, at processen med stjernedannelse aktivt foregår i nærheden af et supermassivt sort hul. Det menes, at kilden til gas til denne proces er to flade gasringe, der blev opdaget i midten af galaksen i 1980'erne. Imidlertid er den indre diameter af disse ringe for stor til at forklare processen med stjernedannelse i umiddelbar nærhed af det sorte hul. Stjerner inden for en radius på 1" fra det sorte hul (de såkaldte "S-stjerner") har en tilfældig retning af orbital momentum, som modsiger tilvækstscenariet for deres oprindelse. Det antages, at disse er varme kerner af røde kæmper, der dannet i de fjerntliggende områder af galaksen, og vandrede derefter til den centrale zone, hvor deres ydre skaller blev revet af af tidevandskræfterne fra det sorte hul [28] .
I 1996 kendte man mere end 600 stjerner i et område omkring en parsec (25") i diameter omkring radiokilden Sagittarius A *, og for 220 af dem blev radiale hastigheder pålideligt bestemt. Massen af det centrale legeme blev estimeret til at være være 2–3⋅10 .
Fra oktober 2009 har opløsningen af infrarøde detektorer nået 0,0003" (hvilket svarer til 2,5 AU i en afstand på 8 kpc). Antallet af stjerner inden for 1 pct. af galaksens centrum, for hvilke bevægelsesparametre er blevet målt, er overskredet. 6000 [29] .
Nøjagtige kredsløb er blevet beregnet for de 28 stjerner nærmest galaksens centrum, hvoraf den mest interessante er stjernen S2 . I observationsperioden (1992-2021) lavede den næsten to komplette omdrejninger rundt om det sorte hul, hvilket gjorde det muligt at estimere parametrene for dets kredsløb med stor nøjagtighed. Omløbsperioden for S2 er 15,8±0,11 år, kredsløbets semi-hovedakse er 0,12495±0,00004" (1000 AU), excentriciteten er 0,88441±0,00006, og den maksimale tilgang til det centrale legeme er 141,01" eller 419,01" . e. [30] [31] Banerne for S2 og andre S-klyngestjerner (S29, S38, S55) viste sig at være tæt på Kepler-baner, selvom relativistiske korrektioner også observeres (især Schwarzschilds direkte præcession af kredsløb). Den retrograde (Newtonske) præcession af banerne, som ville være til stede i nærværelse af en tilstrækkelig stor fordelt masse nær pericentrene, observeres ikke; det betyder, at næsten al den masse, der påvirker stjernernes bevægelse, er koncentreret i midten. Målingerne udelukker (med en signifikans på 3σ) eksistensen af en fordelt masse større end 7500 M ⊙ inde i S2-kredsløbet [31] . Nøjagtig måling af orbitalparametre gjorde det muligt at estimere massen af det centrale legeme med høj nøjagtighed. Ifølge de seneste skøn (2021) er det lig med
med en statistisk fejl på 0,012 millioner solmasser og en systematisk fejl på 0,04 millioner M ⊙ [31] .
Bidraget til fejlene kommer især ved fejl ved måling af afstanden fra Solen til Skytten A*; de mest nøjagtige moderne skøn over denne afstand giver [31] :
pc .
Gravitationsradiusen for et sort hul med en masse på 4⋅10 6 solmasser er cirka 12 millioner km, eller 0,08 AU. det vil sige 1400 gange mindre end den nærmeste afstand, som stjernen S2 nærmede sig det centrale legeme . Men blandt forskere er der praktisk talt ingen tvivl om, at det centrale objekt ikke er en klynge af stjerner med lav lysstyrke, neutronstjerner eller sorte huller, da de, der er koncentreret i så lille et volumen, uundgåeligt ville smelte sammen på kort tid til en enkelt supermassiv genstand, som ikke kan være noget andet bortset fra det sorte hul .
I 2011 blev et aktivt supermassivt sort hul med en masse på 3⋅10 6 M ⊙ fundet i dværggalaksen Henize 2−10 30 millioner lysår fra Solen i stjernebilledet Kompasset [35] . Derefter blev omkring 100 aktive massive sorte huller fundet i galakser med relativt svag stjernedannelse. En yderligere søgning med længere radiobølger viste 39 kandidater til mindre aktive massive sorte huller, hvoraf mindst 14 af kandidaterne højst sandsynligt er massive sorte huller. Nogle af disse potentielle massive sorte huller er ikke i centrum af deres galakser, men i udkanten. Computersimuleringer har vist, at op til halvdelen af alle dværggalakser kan have ikke-centrale sorte huller [36] .
![]() |
---|
Sorte huller | |||||
---|---|---|---|---|---|
Typer | |||||
Dimensioner | |||||
Uddannelse | |||||
Ejendomme | |||||
Modeller |
| ||||
teorier |
| ||||
Præcise løsninger i generel relativitetsteori |
| ||||
relaterede emner |
| ||||
Kategori:Sorte huller |
galakser | |
---|---|
Slags |
|
Struktur | |
Aktive kerner | |
Interaktion | |
Fænomener og processer | |
Lister |