Российские волонтеры-программисты помогли сотруднику МГУ найти загадочные черные дыры

Международная группа астрономов под руководством Ивана Золотухина из Государственного астрономического института имени Штернберга Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова приблизилась к пониманию одной из важных загадок современной астрономии — так называемых черных дыр промежуточной массы.

Черные дыры — термин, введенный в середине ХХ века физиком-теоретиком Джоном Уиллером. Этим термином называют сверхмассивные релятивистские объекты, не видимые ни в одном диапазоне электромагнитных волн, которые выдают себя, однако, множеством астрофизических эффектов.

Из наблюдений ученым известны черные дыры двух основных типов: сверхмассивные и черные дыры звездных масс. Считается, что черные дыры звездных масс образуются в конце эволюции массивных звезд, когда, раздувшись, они сбрасывают внешние слои, и сжимаются внутрь под действием собственной гравитации. Теоретические расчеты налагают ограничения на массу таких дыр в 5–50 масс Солнца.

Куда менее ясно, откуда берутся сверхмассивные черные дыры, сидящие в центре большинства галактик, масса которых может достигать миллиардов масс Солнца. Дело в том, что квазары — активные ядра галактик со сверхмассивными черными дырами массой в миллиарды масс Солнца — наблюдаются астрономами на больших красных смещениях. Это значит, что такие гиганты существовали уже в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва. «Именно поэтому астрономы ищут черные дыры промежуточных масс, поскольку за 700 млн лет без них невозможно сделать черную дыру в миллиард масс Солнца», — пояснил Иван Золотухин, работающий в Институте астрофизики и планетологии (Тулуза).

Считается, что звезды первых поколений не содержали металлов и потому могли иметь массы в сотни масс Солнца, а в конце эволюции создавать черные дыры куда более массивные, чем наблюдаемые сегодня. Эти черные дыры затем слипались друг с другом, образуя дыры массой в тысячи масс Солнца, а дальнейшее поглощение галактик друг другом и аккреция вещества приводили к образованию сверхмассивных черных дыр.
Расчеты моделей иерархического образования галактик показали, что, если это было так, то до наших дней должно сохраниться немного тех самых дыр промежуточных масс, которые так ищут астрономы.

Немного — это порядка ста штук на галактику размером с наш Млечный путь. При этом летать они должны где-то высоко над плоскостью галактик, так как, слипаясь, черные дыры приобретают огромный импульс, который порой способен их вышвырнуть из галактики. Примерно 10 лет назад искать такие дыры (массой в тысячи солнечных) начали среди тяжелых дыр звездных масс и легких сверхмассивных, но ничего легче 500 тыс. масс Солнца найти не удалось.

Однако в 2009 году вышла статья астрономов из Тулузы, которые, занимаясь поиском нейтронных звезд в нашей галактике, совершенно случайно нашли яркий рентгеновский источник рядом с галактикой, расположенной на расстоянии в 100 мегапарсек от Земли. Оценка светимости показала, что масса объекта составляет порядка 10 тыс. солнечных масс. Светит он, скорее всего, за счет перетекания вещества на черную дыру с одной-единственной звезды. Уникальный объект получил название HLX-1 (Hyper-LuminousX-raysource 1) — сейчас это единственный надежный кандидат в черные дыры промежуточной массы. Многие астрономы были уверены, что такой объект уникален, и подобных ему найдено не будет. Однако они упускали из виду, что объект был найден случайно, притом в каталоге источников, покрывающем всего 1% неба.

«Поэтому я считал, что таких объектов должно быть гораздо больше, и мы предложили метод их массового поиска», — пояснил Золотухин. Идея заключается в сопоставлении объектов из массового обзора красных смещений галактик (SDSS) с объектами из каталога рентгеновских источников. «Я предложил поискать в окрестностях миллионов галактик рентгеновские объекты со светимостью больше определенной величины», — уточнил автор.

Применив разработанный алгоритм к обоим каталогам, астрономы смогли насчитать 98 объектов, из которых минимум 16 должны быть связаны со своими галактиками. «Это — шикарные кандидаты в черные дыры промежуточных масс. В работе впервые показывается, что новый гипотетический тип черных дыр — черные дыры промежуточных масс (с массами от 100 до 100 тыс. масс Солнца) — не просто существует, а существует в виде популяции, то есть эти объекты не являются уникальными, их много», — пояснил автор работы, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal.

В работе использовались методы Виртуальной Обсерватории — все выводы были получены исключительно с использованием публично доступных данных и, следовательно, могут быть проверены с любого компьютера, подключенного к интернету.

Кроме того, в работе активно использовался новый сайт для доступа к данным обсерватории XMM-Newton. «Уникальность этого веб-приложения заключается в том, что впервые в международной фундаментальной науке такой сложный проект сделан специально для ученых исключительно силами волонтеров — высококлассных программистов, которые, работая в лучших IT-компаниях России, свое свободное время посвящали данному веб-сайту, это Алексей Сергеев, Аскар Тимиргазин и Максим Чернышов, — пояснил Иван Золотухин. — Я и многие мои коллеги до сих пор находимся под большим впечатлением от их работы. Астрономы всего мира теперь могут пользоваться уникальными возможностями сайта, а многие открытия теперь можно делать прямо онлайн!» По словам Золотухина, нынешняя работа открывает серию исследований, основанных на этом сайте. «Важно, что благодаря простому и понятному дизайну специфическими рентгеновскими данными теперь могут пользоваться ученые из других отраслей науки», — отмечает ученый.

Данное исследование по сути открывает возможность для массового поиска черных дыр промежуточных масс. Поскольку в представленной выборке кандидатов должно содержаться больше десятка таких объектов, ожидается, что в ближайшие годы они будут надежно подтверждены спектральными оптическими наблюдениями. Искать их в ближайшее время планируется и на шестиметровом телескопе БТА Специальной астрофизической обсерватории. «Если найдется хотя бы одно подтверждение, это будет статья в Nature, астрономы тотчас же кинутся исследовать эти 98 объектов», — считает автор работы.

Найденные кандидаты находятся всего в 2% неба, поэтому астрономы надеются на запуск в 2017 году российско-немецкого космического телескопа «Спектр-РГ». С помощью инструмента будет получен глубокий рентгеновский обзор неба, в котором ученый надеется найти сотни объектов, подобных HLX-1.