DESI обнаружил 300 черных дыр средней массы и 2500 активных черных дыр в карликовых галактиках

На этой иллюстрации художника изображена карликовая галактика, в которой находится активное галактическое ядро — активно питающаяся черная дыра. На заднем плане — множество других карликовых галактик, в которых находятся активные черные дыры, а также множество других типов галактик, в которых находятся черные дыры средней массы. Автор: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/M. Zamani

Используя ранние данные, полученные с помощью спектроскопического инструмента темной энергии ( DESI), группа ученых собрала самую большую выборку карликовых галактик, в которых находятся активно питающиеся черные дыры, а также самую обширную на сегодняшний день коллекцию кандидатов в черные дыры средней массы.

Работа опубликована в The Astrophysical Journal.

Это двойное достижение не только расширяет понимание учеными популяции черных дыр во Вселенной, но и закладывает основу для дальнейших исследований, касающихся формирования первых черных дыр во Вселенной и их роли в эволюции галактик.

DESI — это современный инструмент, который может улавливать свет от 5000 галактик одновременно. DESI установлен на 4-метровом телескопе Николаса У. Мейолла Национального научного фонда США (NSF) в Национальной обсерватории Китт-Пик NSF, программе NSF NOIRLab. Программа в настоящее время ведет четвертый из пяти лет наблюдения за небом и должна наблюдать около 40 миллионов галактик и квазаров к моменту окончания проекта.

Проект DESI представляет собой международное сотрудничество более 900 исследователей из более чем 70 учреждений по всему миру и находится под управлением Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США.

Используя ранние данные DESI, включающие проверку данных обследования и 20% данных первого года работы, группа под руководством научного сотрудника Университета Юты Рагадипики Пуча смогла получить беспрецедентный набор данных, включающий спектры 410 000 галактик, в том числе примерно 115 000 карликовых галактик — небольших диффузных галактик, содержащих от тысяч до нескольких миллиардов звезд и очень мало газа.

Этот обширный набор позволит Пуче и ее команде исследовать сложное взаимодействие между эволюцией черных дыр и эволюцией карликовых галактик.

Эта мозаика показывает серию изображений, на которых изображены кандидаты в карликовые галактики, содержащие активное галактическое ядро, снятые с помощью Hyper Suprime-Cam телескопа Subaru. Автор: Legacy Surveys/D. Lang (Perimeter Institute)/NAOJ/HSC Collaboration/D. de Martin (NSF NOIRLab) & M. Zamani (NSF NOIRLab)

Хотя астрофизики практически уверены, что в центрах всех массивных галактик, таких как наш Млечный Путь, находятся черные дыры, картина становится неясной по мере приближения к маломассивному концу спектра.

Поиск черных дыр сам по себе является сложной задачей, но их идентификация в карликовых галактиках еще сложнее из-за их малых размеров и ограниченной способности наших современных инструментов разрешать области, близкие к этим объектам. Однако, активно питающуюся черную дыру легче обнаружить.

«Когда черная дыра в центре галактики начинает питаться, она высвобождает в свое окружение колоссальное количество энергии, превращаясь в то, что мы называем активным галактическим ядром», — говорит Пуча.

«Эта драматическая активность служит нам маяком, позволяющим обнаружить скрытые черные дыры в этих небольших галактиках».

В ходе своих поисков команда выявила поразительные 2500 кандидатов в карликовые галактики, содержащие активное галактическое ядро (AGN) — крупнейшая выборка из когда-либо обнаруженных. Значительно более высокая доля карликовых галактик, содержащих AGN (2%) по сравнению с предыдущими исследованиями (около 0,5%) — это захватывающий результат, который предполагает, что ученые упускают из виду значительное количество маломассивных, неоткрытых черных дыр.

Эта мозаика показывает серию изображений, на которых изображены кандидаты в черные дыры средней массы, расположенные в порядке возрастания звездной массы, снятые с помощью Hyper Suprime-Cam телескопа Subaru. Автор: Legacy Surveys/D. Lang (Perimeter Institute)/NAOJ/HSC Collaboration/D. de Martin (NSF NOIRLab) & M. Zamani (NSF NOIRLab)

Этот график рассеивания показывает количество кандидатов в карликовые галактики, содержащих активные ядра галактик (AGN) из предыдущих обзоров, по сравнению с количеством новых кандидатов в AGN карликовых галактик, обнаруженных спектроскопическим прибором Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). Этот график адаптирован из рисунка 5 в статье под названием "Tripling the Census of Dwarf AGN Candidates Using DESI Early Data," опубликованной в The Astrophysical Journal. Автор: NOIRLab/NSF/AURA/R. Pucha/J. Pollard

В ходе отдельного поиска по данным DESI команда выявила 300 кандидатов на роль черных дыр средней массы — самая обширная коллекция на сегодняшний день. Большинство черных дыр либо легкие (менее 100 масс нашего Солнца), либо сверхмассивные (более миллиона масс нашего Солнца).

Черные дыры, находящиеся между двумя крайностями, изучены недостаточно, но предполагается, что они являются остатками самых первых черных дыр, образовавшихся в ранней Вселенной, и зародышами сверхмассивных черных дыр, которые сегодня находятся в центрах крупных галактик.

Тем не менее, они остаются неуловимыми, и до сих пор известно всего около 100–150 кандидатов в черные дыры средней массы. Благодаря большой популяции, обнаруженной DESI, ученые теперь имеют мощный новый набор данных для изучения этих космических загадок.

«Технологическая конструкция DESI была важна для этого проекта, особенно малый размер его волокна, что позволило нам лучше рассмотреть центр галактик и выявить едва заметные признаки активных черных дыр», — говорит Стефани Джуно, научный сотрудник NSF NOIRLab и соавтор статьи.

«В других волоконных спектрографах с более крупными волокнами больше звездного света с окраин галактики проникает и ослабляет сигналы, которые мы ищем. Это объясняет, почему нам удалось обнаружить более высокую долю активных черных дыр в этой работе по сравнению с предыдущими попытками».

Обычно предполагается, что черные дыры, обнаруженные в карликовых галактиках, находятся в режиме промежуточной массы. Но интригующе, что только 70 из недавно обнаруженных кандидатов в черные дыры промежуточной массы пересекаются с кандидатами в карликовые AGN. Это добавляет еще один уровень волнения к результатам и поднимает вопросы о формировании и эволюции черных дыр в галактиках.

«Например, существует ли какая-либо связь между механизмами образования черных дыр и типами галактик, в которых они обитают?» — сказал Пуча.

«Наше множество новых кандидатов поможет нам глубже проникнуть в эти тайны, обогатив наше понимание черных дыр и их ключевой роли в эволюции галактик».

Больше информации: Ragadeepika Pucha et al, Tripling the Census of Dwarf AGN Candidates Using DESI Early Data, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/adb1dd

Источник: Association of Universities for Research in Astronomy