Японские астрономы под руководством сотрудника Токийского университета Котаро Коно использовали радиоинтерферометр ALMA для изучения черной дыры в галактике NGC 1097. При этом удалось добиться рекордной для таких наблюдений чувствительности. В результате около дыры было открыто молекулярное облако с очень высокой плотностью. Это облако имеет уникальный химический состав, будучи обогащено синильной кислотой. Появление этой кислоты вызвано очень высокой температурой в окрестностях дыры. За счет этого данную молекулу можно считать уникальным для окрестностей черной дыры идентификатором. Ее обнаружение в излучении скрытого пылью объекта может восприниматься как указание на прячущуюся черную дыру.

Современное состояние наблюдательной техники позволило определить, что в центре каждой полноценной галактики находится сверхмассивная черная дыра. Однако процессы образования таких дыр еще только изучаются, и все возможные варианты с трудом позволяют объяснить быстрый набор массы дырами в молодой Вселенной. Исследование Коно прокладывает путь к открытиям в области образования дыр, так как указывает на их важное свойство – связь массы дыры и массы перемычки галактики. Это значит, что центральная часть галактики растет вместе с дырой. Перемычка растет в результате столкновений галактик, из-за которых в центре скапливается большое количество материала. Этот же материал может использовать для своего роста черная дыра. Чтобы изучить этот процесс, желательно собрать данные о максимально большом количестве черных дыр на разных этапах роста.

Впрочем, для изучения черную дыру сначала надо увидеть. Большая часть наблюдений сейчас проводится в оптическом и инфракрасном диапазонах. На этих длинах волн большая часть излучения поглощается межзвездной пылью. А чем больше дыра, тем больше около нее пыли. Поэтому сверхмассивные дыры в этих диапазонах наблюдать сложно. Методика Коно заключается в выделении некоторых важных линий поглощения межзвездной пыли и наблюдении их в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне. Это излучение не поглощается пылью и является основным при изучении свойств молекулярных облаков газа, практически не излучающих, но активно поглощающих свет. Черная дыра, как любой другой источник мощного излучение, должна оставлять на молекулярном газе уникальный след, определяемый исходным излучением объекта и его поглощением разными соединениями в молекулярном облаке, состоящем в основном из водорода.

Для проверки методики была выбрана относительно близкая галактика, структура которой может быть изучена в деталях. Расстояние до NGC 1097 составляет 50 миллионов лет и в ее центре уже была обнаружена сверхмассивная черная дыра. С помощью интерферометра ALMA на таком расстоянии можно легко обнаружить линии поглощения соединений водорода, если подход в общем верен. На наблюдения было выделено всего 2 часа обсерватории, что не помешало получить данные с пространственным разрешением в 1.5 угловые секунды. Центральная перемычка оказалась простирающейся на 2100 световых лет (рис. 1).

Субмиллиметровые наблюдения показали, что линии поглощения синильной кислоты особенно сильно выделяются на фоне других соединений (рис. 3). Похожие результаты ранее были получены в миллиметровом диапазоне. Поэтому теперь для изучения окрестностей черных дыр можно использовать старые подходы, но более подходящий спектр излучения с большей частотой. Сравнение со спектральными данными для других типов галактик показало уникальность активных сверхмассивных черных дыр (рис. 3). В галактиках с активными ядрами линии поглощения синильной кислоты выделяются ярко, чего нельзя сказать о галактиках, большая часть регистрируемого нами излучения которых связана с другими источниками. Новая методика работает для галактик на любом удалении от Земли. Из-за ускоренного расширения Вселенной излучение далеких объектов смещается в красную сторону, его частота уменьшается. Однако чувствительность интерферометра ALMA для низкочастотных субмиллиметровых волн позволяет изучать излучение объектов на расстояниях в 10 миллиардов световых лет.

Анализ окрестностей дыры позволил выделить некоторые свойства поглощающего излучение дыры газа. В частности, особенно ярко выраженные линии поглощения были обнаружены для самых горячих (несколько сотен градусов, что очень много для межзвездного газа) и очень плотных (от десяти тысяч до миллиона молекул водорода в кубическом сантиметре) областях, где происходит наиболее активное образование молекул синильной кислоты. Именно этот результат позволяет использовать синильную кислоту для идентификации черной дыры. Это – один из немногих объектов, способных поддерживать высокие температуру и плотность межзвездного вещества на больших расстояниях. При этом нагрев происходит не только за счет излучения материи около черной дыры, но также за счет ударной волны, возникающей в межзвездном веществе из-за релятивистских струй, выбрасываемых из полюсов аккреционного диска черной дыры.