3D-аналіз показує асиметричну галактику та масивну чорну діру

Картування швидкостей зірок навколо гігантської еліптичної галактики показує її асиметричну структуру. Дослідники виявили, що галактика M87, яку раніше вважали симетричною, насправді є асиметричною. Вони визначили, що її надмасивна чорна діра має масу в 5,37 мільярда разів більшу за масу Сонця, що може допомогти їм дізнатися про обертання чорної діри.

Якщо дивитися з Землі, гігантська еліптична галактика M87 — це просто двовимірна крапля, яка виглядає ідеально симетричною, тому є улюбленою ціллю для астрономів-любителів.

Проте новий, дуже детальний аналіз руху зірок навколо її центральної надмасивної чорної діри — першої чорної діри, зображеної телескопом Event Horizon Telescope (EHT) у 2019 році — показує, що вона не така ідеальна, як здається. Насправді M87 дуже асиметричний, як червона картопля. Найкоротша вісь галактики становить приблизно три чверті (72,2%) довжини її довгої осі, тоді як проміжна вісь становить приблизно сім восьмих (84,5%) довжини довгої осі.

Знаючи це, астрономи Каліфорнійського університету в Берклі змогли з високою точністю визначити масу надмасивної чорної діри в ядрі галактики, оцінивши її в 5,37 мільярда мас Сонця. Для порівняння, у центрі нашого Чумацького Шляху розташована масивна чорна діра, яка всього в 4 мільйони разів перевищує масу Сонця.

Вони також змогли виміряти обертання галактики, яке є відносно спокійним 25 кілометрів на секунду. Цікаво, що вона обертається не навколо жодної з головних осей галактики, а навколо осі, яка віддалена на 40 градусів від довгої осі її двовимірного зображення, яке спостерігалося за допомогою космічного телескопа Хаббл. Стереореконструкція галактики M87 і більш точне значення маси центральної чорної діри можуть допомогти астрофізикам дізнатися про характеристику чорної діри, яку вони раніше не могли визначити для будь-якої чорної діри: її обертання.

«Тепер, коли ми знаємо напрям чистого обертання зірок у M87 і маємо оновлену масу чорної діри, ми можемо поєднати цю інформацію з дивовижними даними від команди EHT, щоб обмежити обертання», — сказав Чунг-Пей Ма, професор астрономії та фізики Каліфорнійського університету в Берклі, який очолював дослідницьку групу. «Це може вказувати на певний напрямок і діапазон обертання чорної діри, що було б чудово. Ми працюємо над цим».

Подальший аналіз для визначення справжньої форми гігантських еліптичних галактик — галактик із найбільшими чорними дірами в їх ядрах — допоможе астрономам краще зрозуміти, як утворюються великі галактики та великі чорні діри, і може допомогти астрономам краще інтерпретувати сигнали гравітаційних хвиль. Ма очолює довгострокове дослідження надмасивних чорних дір, яке охрестили МАСИВНИМИ.

У той час як спіральні галактики, як правило, малі, швидко обертаються та мають добре впізнавану форму млинця, гігантські еліптичні галактики обертаються повільно та мають пухлий вигляд, їх тривимірну форму важко розрізнити. Подібно до M87, найбільшої галактики у величезному скупченні галактик Діви, гігантські еліптичні галактики виросли внаслідок злиття багатьох інших галактик. Ймовірно, саме тому центральна чорна діра M87 така велика — вона асимілювала центральні чорні діри всіх галактик, які вона поглинула. Загалом галактика містить близько 100 мільярдів зірок, що в 10 разів більше, ніж Чумацький Шлях.

Ма, аспірант Каліфорнійського університету в Берклі та провідний автор Емілі Ліпольд і Джонел Уолш з Техаського університету A&M у Коледж-Стейшн змогли визначити тривимірну форму M87 завдяки відносно новому точному інструменту, встановленому на телескопі Keck II, одному з подвійних 10 телескопів. метрові телескопи Keck на вершині Мауна-Кеа, вулкана на Гаваях. Інтегральний польовий спектрометр під назвою Keck Cosmic Web Imager (KCWI) дозволив Ма та її команді вимірювати спектри зірок у центрі галактики.

Вони направили телескоп на 62 суміжні місця в галактиці, повністю охоплюючи область приблизно 70 000 світлових років у поперечнику, і записали спектри зірок у цій області. Спостереження охоплюють центральну область — приблизно 3000 світлових років у поперечнику — де гравітація значною мірою домінує надмасивною чорною дірою, а також зовнішню частину, де домінує темна матерія. Хоча телескоп не може розрізнити окремі зірки — M87 лежить приблизно в 53 мільйонах світлових років від Землі — спектри можуть виявити діапазон швидкостей у кожному пікселі кожного зображення. Це достатньо інформації, щоб обчислити гравітаційну масу, навколо якої вони обертаються.

«Це ніби дивитися на рій зі 100 мільярдів бджіл, які обертаються своїми щасливими орбітами», — сказала Ма, професор фізичних наук Джуді Чендлер Вебб. «Хоча ми дивимось на них здалеку й не можемо розрізнити окремих бджіл, ми отримуємо дуже детальну інформацію про їхні колективні швидкості. Справді, чудова чутливість цього спектрографа дозволила нам так повно скласти карту M87».