Новый метод может выявить скрытые двойные системы сверхмассивных черных дыр

Фото из открытых источников

Сверхмассивные двойные системы черных дыр образуются естественным образом при слиянии галактик, но ученые с уверенностью наблюдали лишь очень немногие из этих систем, расположенных на значительном расстоянии друг от друга. Двойные системы черных дыр, которые вращаются друг вокруг друга на более близком расстоянии, еще не были измерены. 

В статье, опубликованной сегодня в журнале Physical Review Letters, исследователи предлагают искать скрытые системы, наблюдая повторяющиеся вспышки света от отдельных звезд, находящихся за черными дырами, которые временно увеличиваются под действием гравитационного линзирования во время вращения двойной системы.

Сверхмассивные черные дыры находятся в центрах большинства галактик. Когда две галактики сталкиваются и сливаются, их центральные черные дыры в конечном итоге образуют связанную пару, известную как двойная система сверхмассивных черных дыр. Эти системы играют решающую роль в эволюции галактик и являются одними из самых мощных источников гравитационных волн во Вселенной. Хотя будущие космические обсерватории гравитационных волн, такие как LISA, смогут исследовать такие двойные системы напрямую, исследователи сейчас показывают, что их уже можно обнаружить с помощью существующих и будущих электромагнитных обзоров.

«Сверхмассивные чёрные дыры действуют как естественные телескопы», — говорит Мигель Зумалакарреги из Института гравитационной физики им. Макса Планка. «Благодаря своей огромной массе и компактным размерам они сильно искривляют проходящий свет. Свет от одной и той же галактики-хозяина может фокусироваться в необычайно яркие изображения — явление, известное как гравитационное линзирование».

Для одиночной сверхмассивной чёрной дыры чрезвычайно сильное линзирование происходит только тогда, когда звезда расположена почти точно вдоль линии зрения. В отличие от этого, двойная сверхмассивная чёрная дыра действует как пара линз. Это создаёт ромбовидную структуру, известную как каустическая кривая, вдоль которой звёзды могут испытывать значительное увеличение.

«Вероятность значительного усиления звездного света в двойной системе намного выше, чем в одиночной черной дыре», — объясняет соавтор исследования Бенце Кочиш из Оксфордского университета.

Ещё одно ключевое отличие заключается в том, что двойные системы чёрных дыр не статичны. Во время движения пары под действием гравитации система постепенно теряет энергию, испуская гравитационные волны. В результате расстояние между чёрными дырами со временем уменьшается, и скорость вращения постепенно увеличивается.

«По мере движения двойной системы каустическая кривая вращается и меняет форму, охватывая большой объем звезд позади нее. Если в этой области находится яркая звезда, она может каждый раз, когда каустическая кривая проходит над ней, производить необычайно яркую вспышку», — говорит соавтор исследования Ханьси Ван. «Это приводит к повторяющимся вспышкам звездного света, которые являются четким и характерным признаком двойной системы сверхмассивных черных дыр».

Исследователи показали, что время и яркость этих вспышек содержат ценную информацию о двойной системе черных дыр. По мере сближения двойных систем излучение гравитационных волн незаметно изменяет структуру каустики, оставляя характерный след как в частоте, так и в пиковой яркости вспышек. Измеряя эти закономерности, астрономы могли бы определить ключевые свойства лежащей в основе двойной системы черных дыр, включая ее массы и орбитальную эволюцию. 

Вращаясь друг вокруг друга под действием гравитации, они медленно теряют энергию за счет излучения гравитационных волн. Это также уменьшает расстояние между двумя черными дырами. Измеряя эти вспышки света, астрономы могли бы определить важные свойства двойной системы, включая не только массы черных дыр, но и их эволюцию на орбитах. Хотя вспышки света могут повторяться с периодом в несколько лет, что соответствует орбитальному периоду таких особенно массивных черных дыр, для изменения частоты требуется значительно больше времени. Возможны моментальные снимки: разные пары черных дыр, наблюдаемые таким образом, будут демонстрировать разные частоты, поскольку эти центры разных галактик находятся на разных стадиях развития.

Благодаря появлению мощных широкоугольных телескопов, таких как обсерватория Веры К. Рубин и космический телескоп Нэнси Грейс Роман, исследователи с оптимизмом смотрят на возможность наблюдения подобных повторяющихся вспышек гравитационного линзирования в ближайшие годы.

«Перспектива обнаружения сближающихся двойных систем сверхмассивных черных дыр за годы до ввода в эксплуатацию будущих космических детекторов гравитационных волн чрезвычайно захватывающа», — заключает Кочиш. «Это открывает двери для настоящих многоканальных исследований черных дыр, позволяя нам проверять гравитацию и физику черных дыр совершенно новыми способами».