УДК 524.47
ЧЕРНАЯ ДЫРА В ЦЕНТРЕ ШАРОВОГО СКОПЛЕНИЯ M15: ОЦЕНКА МАССЫ И УДЕЛЬНОГО МОМЕНТА ВРАЩЕНИЯ
© 2008 г. А. А. Киселев, Ю. Н. Гнедин*, Н. А. Шахт, Е. А. Грошева, М. Ю. Пиотрович, Т. М. Нацвлишвили
Главная астрономическая обсерватория РАН, Пулково Поступила в редакцию 19.11.2007 г.
Используя методику определения суммы масс двойных звезд, мы оценили массу центрального объекта (ЦО) скопления M15. Были использованы значения лучевых скоростей звезд на расстоянии до 1" от центра. По вычисленным дисперсиям скоростей по отношению к средней лучевой скорости были определены параметры круговых орбит и пространственные скорости 11 избранных звезд поля относительно центра скопления. Согласно значению средней пространственной скорости V, равной 14 км/c, при использовании интеграла энергии мы оценили значение массы ЦО в пределах (1—9) х 1О3М0. Выполнены оценки кинетической энергии оттока вещества области, окружающей черную дыру в M15, и величины удельного углового момента вращения черной дыры.
Ключевые слова: черная дыра, шаровые скопления, магнитное поле, релятивистский джет.
BLACK HOLE AT THE CENTER OF THE GLOBULAR CLUSTER M15: ESTIMATION OF THE MASS AND SPECIFIC ANGULAR MOMENTUM, by A. A. Kiselev, Yu. N. Gnedin, N. A. Shakht, E. A. Grosheva, M. Yu. Piotrovich, and T. M. Natsvlishvili. Using the technique of determining the sum of the masses of binary stars, we have estimated the mass of the central object in the globular cluster M15. The radial velocities of stars at distances up to 1" from the center have been used. The parameters of circular orbits and the space velocities of 11 selected field stars relative to the cluster center have been determined from the calculated velocity dispersions with respect to the mean radial velocity. Based on the mean space velocity V, 14 km s-1, and using the energy integral, we have estimated the mass of the central object to be within the range (1—9) х 1О3М0. We have estimated the kinetic energy of the outflow of matter from the region surrounding the black hole in M15 and the specific angular momentum of the black hole.
PACS numbers:95.30.Sf; 98.20.Gm; 98.38.Am; 97.10.Wn
Key words: black hole, globular clusters, magnetic field, relativistic jet.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из самых интригующих проблем современной астрономии является проблема существования черных дыр промежуточных масс (10М© < Мш < 105М©). В настоящее время ведется интенсивный поиск таких объектов с помощью разнообразных методов. Для этой цели наиболее подходящими объектами исследований являются шаровые скопления, которые могут содержать черные дыры промежуточных масс в центральных областях скоплений (Гебхард и др., 2000). В данной работе с помощью различных подходов выполнено определение массы центрального объекта шарового скопления М15, величина
Электронный адрес: gnedin@gao.spb.ru
которой оказалась лежащей в интервале (1—9) х х 103 М©, причем наиболее вероятной оказывается величина 2.3 х 103М©. Эти оценки получены двумя способами: во-первых, астрометрическим методом, основанным на методике определения суммы масс двойных звезд, развитой в ГАО РАН Киселевым (1989), и, во-вторых, с помощью эмпирических соотношений между такими физическими параметрами, как масса черной дыры, болометрическая светимость аккреционных потоков вблизи черной дыры, величина магнитного поля, оцененная в рамках известного механизма Бленфорда-Знаека и его модификаций. Последняя методика успешно применялась при исследовании черных дыр как звездных масс, так и сверхмассивных черных дыр.
Очевидно, что второй метод является косвенным и поэтому менее точным. Что касается болометрической светимости ядра шарового скопления М15, то оценка ее величины была получена в результате рентгеновских наблюдений (Хо и др., 2003). Недостаток данного метода, помимо его более низкой точности, состоит дополнительно в том, что вышеупомянутые эмпирические соотношения определяют на самом деле комбинацию двух важнейших физических параметров: величин массы черной дыры и ее удельного углового момента вращения (параметра Керра). Поэтому более естественно ставить задачу другим образом: используя определение массы черной дыры астро-метрическим методом, найти из наблюдений значение удельного углового момента вращения. Именно этот подход мы и реализуем в данной работе.
Структура и динамика М15 неоднократно исследовались ранее, а особенно подробно в последнее время — по данным, полученным с помощью космического телескопа им. Хаббла (Ван дер Ма-рел и др., 2002). Ранее по наземным наблюдениям были определены лучевые скорости 1800 звезд скопления, а также некоторые параметры вращения звездных подсистем (Гебхард и др., 2000). С помощью Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS), находящегося на Hubble Space Telescope (HST), в последнее время определены лучевые скорости звезд около динамического центра скопления.
В данном случае, благодаря высокой разрешающей способности телескопа STIS удалось определить лучевые скорости звезд, находящихся внутри области M15. Всего по 131 звездному спектру с достаточной точностью были получены лучевые скорости 64 звезд скопления (Герссен и др., 2002).
В нашей работе мы рассмотрели распределение лучевых скоростей, полученных с помощью STIS.
Нами были предприняты попытки получить динамические параметры, в том числе параметры вращения и массу центрального объекта, используя малую область звезд скопления около центра (с радиусом р < 1") с известными лучевыми скоростями.
Следует отметить, что Герссен и др. (2002) проанализировали радиальные скорости 64 звезд
Таблица 1. Данные, характеризующие шаровое скопление М15
«(2000.0) <5(2000.0) ¿(2000.0) ^(2000.0) D*, КПК Угловые размеры
21h27™6 +12° 10' 65° 05' -27° 00' 10 19' х 19'
* D — расстояние до Солнца.
в М15 и оценили массу центрального объекта, используя уравнение Джинса для сферической звездной системы. Их оценка дает величину Mbh = = (3.9 ± 2.2) х 103MQ. Авторы этой работы подчеркивают, что эта оценка основана на сконструированной ими динамической модели движения звезд в сферической системе и существенно зависит от принимаемого значения радиуса сферы гравитационного влияния. Как сильно значение этого радиуса влияет на оценку массы центрального объекта в М15, продемонстрировано, в частности, в работе Чакрабарти (2006).
Другой вариант оценки массы массивной черной дыры в центре М15 предложен в работах МакНамары и др. (2003, 2004). Они проанализировали внутренние собственные движения звезд, используя их изображения, полученные с помощью телескопа им. Хаббла. Авторы этих работ оценили полную массу шарового скопления и сделали вывод об отсутствии влияния возможной центральной массивной черной дыры на собственные движения этих звезд, но не отрицают существование черной дыры с массой MBH < 500M©. К данной работе также относится замечание на стр. 21 работы Чакрабарти (2006), который указывает, что на определение радиуса сферы гравитационного воздействия сильно влияет выбор функции пространственного распределения скоростей звезд. Именно это обстоятельство не позволяет с высокой степенью надежности определить массу центрального объекта М15.
Таким образом, авторы указанных выше работ использовали, по существу, статистические методы обработки данных наблюдений. Мы предлагаем совсем другой подход к задаче определения массы центрального объекта в шаровом скоплении М15. Наша выборка включает только звезды, находящиеся в малой (р < 1") центральной области скопления. Именно эту выборку характеризует не случайное распределение лучевых скоростей звезд, которое, скорее всего, возникает именно под воздействием центральной черной дыры. Это позволяет выполнить динамический анализ скоростей звезд нашей выборки, представляющей подсистему звезд, вращающихся по орбитам, близким к круговым, на основе задачи двух тел и, таким образом, с большей степенью надежности определить массу центрального объекта. Именно такое определение и выполнено на основе интеграла движения.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ ЦЕНТРАЛЬНОГО ОБЪЕКТА М15. АСТРОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Шаровое скопление М15 (NGC 7078), основные данные о котором приведены в табл. 1, имеет самое плотное по сравнению с другими
экватора
Рис. 1. Расположение скопления М15 в экваториальной и в галактической системе координат: М — положение скопления, Рме — северный полюс мира, Рыс — северный полюс Галактики.
шаровыми скоплениями нашей Галактики центральное сгущение. На рис. 1 показано расположение М15 относительно галактического полюса и экватора (галактическая широта Ь равна —27°00') и направления на галактический центр О (галактическая долгота I, отсчитываемая от этого направления, равна 65°05'). Здесь были применены следующие стандартные координаты. Экваториальные координаты северного полюса Галактики: 12ь49т; +27°4. Экваториальные координаты центра Галактики: 17ь42тб; —28° 56', экваториальные координаты М15: 21ь27т6 + 12° 10'. Направление отсчета прямых восхождений и долгот указано на рис. 1 стрелкой на полярном и галактическом экваторах, возрастание координат идет в одну и ту же сторону.
В данном разделе мы используем результаты определения лучевых скоростей, полученных с помощью спектрографа БЛБ, установленного на космическом телескопе им. Хаббла (БЭТ). В нашей работе мы рассмотрели распределение лу-
чевых скоростей звезд в самой малой области с радиусом меньше 1'' центра скопления. Таких звезд оказалось 13. Распределение остаточных скоростей этих звезд
ду = уг — у (1)
представлено в табл. 2 и на рис. 2. На рис. 2 показано распределение звезд в проекции на картинную плоскость с центром М15. Согласно данным БТГБ, средняя лучевая скорость (относительно центра Солнца) равна 103.3 км/с, что практически совпадает с лучевой скоростью самого скопления. Распределение остаточных скоростей ДУГ легко просматривается на рис. 2. Звезды, для которых ДУГ > 0 (т.е. удаляются от нас), отмечены знаком плюс, а звезды, приближающиеся к нам, — знаком минус. Как это следует из рис. 2, расположение звезд с отрицательными и положительными ДУГ обнаруживает некоторую закономерность. Звезды со знако
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.