Две сверхмассивные чёрные дыры могут находиться на самой грани столкновения

Фото из открытых источников

Пылающая галактика, расположенная в полумиллиарде световых лет от нас, может предоставить нам возможность наблюдать в режиме реального времени столкновение сверхмассивных черных дыр в масштабах, сопоставимых с человеческими, возможно, всего лишь в течение столетия.

Новый анализ необычного света от блазарной галактики Mrk 501 предполагает наличие не одной, а двух сверхмассивных черных дыр, каждая из которых генерирует собственную высокоскоростную струю материи. Это не окончательное открытие, но, согласно исследованию, проведенному астрономом Сильке Бритцен из Института радиоастрономии им. Макса Планка в Германии, на данный момент это наиболее убедительное объяснение странного поведения галактики. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Если это подтвердится, это может означать, что один из самых заветных объектов космологии уже у нас на пороге: первое наблюдение слияния сверхмассивных черных дыр, масса которых в миллионы или миллиарды раз превышает массу Солнца.

«До сих пор с помощью прямого изображения не было обнаружено ни одной системы двойных струй в ядре блазара», — пишут Бритцен и его коллеги. «Таким образом, в данной работе впервые сообщается об обнаружении системы двойных струй, что позволяет сделать вывод о наличии двойной системы сверхмассивных черных дыр в ядре этого блазара».

Считается, что сверхмассивные черные дыры скрываются в самом сердце каждой крупной галактики, в космическом ядре, вокруг которого вращается остальная часть галактики. Эти гиганты могут достигать огромных масс и представляют собой ряд сложных проблем.

Один из самых насущных вопросов — как им удаётся достигать таких размеров. Чёрные дыры звёздной массы — те, которые имеют массу в десятки солнечных масс — образуются из сколлапсировавших ядер умирающих массивных звёзд. Мы знаем, что они могут объединяться, образуя более крупные чёрные дыры, самая большая из известных которых достигает массы около 225 солнечных масс.

Пути формирования и эволюции черных дыр с массами в миллионы раз большими остаются более загадочными. Отчасти это связано с отсутствием у нас инструментов для обнаружения гравитационных волн от слияния отдельных сверхмассивных черных дыр, что было бы наилучшим инструментом для понимания того, как они растут в результате слияний.

Однако сверхмассивные чёрные дыры не так скрытны, как их гораздо меньшие родственники. Эти колоссы часто поглощают огромные объёмы вещества, вращающегося вокруг них в диске, при этом нагреваясь и вспыхивая светом.

Затем часть вещества, падающего на черную дыру, отклоняется вдоль линий магнитного поля за пределами горизонта событий. Это вещество ускоряется к полюсам черной дыры, где с огромной силой выбрасывается в космос в виде струи плазмы, светящейся в радиодиапазоне. И пылающий диск, и высокоскоростные струи могут быть обнаружены нашими телескопами — характерный признак хищной сверхмассивной черной дыры.

Мы знаем, что галактики сталкиваются, чтобы стать больше — существует множество примеров продолжающихся столкновений галактик во Вселенной. И сверхмассивные черные дыры в их центрах притягиваются друг к другу. Есть несколько примеров галактик после слияния, в ядре которых находятся две или более сверхмассивных черных дыры, запертые на спиральной орбите, которая, как ожидается, в конечном итоге сведет их вместе.

Галактика Mrk 501, расположенная на расстоянии около 464 миллионов световых лет, — это галактика, в которой, по мнению астрономов, находится двойная сверхмассивная черная дыра. Однако Mrk 501 — это блазар, галактика с активной сверхмассивной черной дырой, релятивистская струя которой направлена почти прямо на Землю. Она чрезвычайно ярка во всем электромагнитном спектре, что делает детальный анализ ее ядра несколько затруднительным.

Бритцен и ее коллеги обратились к радиотелескопам сверхвысокого разрешения, чтобы отслеживать изменения в центре Mrk 501 в различных радиодиапазонах. Их наблюдения длились около 23 лет, что позволило им отслеживать яркие особенности джета с течением времени.

Исследователи использовали эти изменения для реконструкции движения вещества вблизи центрального источника галактики — и именно тогда обнаружилось нечто странное. Узор, казалось, указывал на наличие второй, более слабой струи, которая, по-видимому, закручивается против часовой стрелки вокруг радиоядра.

«Анализ данных был похож на нахождение на корабле», — говорит Бритцен. «Вся система струй находится в движении. Это можно объяснить системой из двух черных дыр: плоскость орбиты колеблется».

Затем команда смоделировала наблюдаемое движение и пришла к выводу, что такое поведение легче объяснить наличием второй сверхмассивной черной дыры. Они обнаружили два периода в флуктуациях света. Один из них составил семь лет, и исследователи сочли его соответствующим колебаниям в системе струй, подобным колебаниям вращающегося волчка.

Второй период составлял всего около 121 дня; по их словам, это может соответствовать орбитальному периоду двух черных дыр, разделенных расстоянием в 250–540 раз превышающим расстояние между Землей и Солнцем. Для таких огромных объектов, как сверхмассивные черные дыры, это чрезвычайно мало.

Это также доля доли парсека, что составляет примерно 3,2 световых года. Это интересно из-за так называемой проблемы конечного парсека.

Согласно моделям, сверхмассивные черные дыры, вращаясь друг вокруг друга, передают свою орбитальную энергию звездам и газу вокруг себя, в результате чего их взаимные орбиты становятся все меньше и меньше. По мере уменьшения расстояния между ними уменьшается и количество вещества, способного перехватить их импульс.

К тому моменту, когда расстояние между ними составит примерно один парсек, их галактическое окружение уже не сможет поддерживать дальнейшее снижение орбиты, поэтому орбита черных дыр может застопориться на очень длительный период времени — дольше, чем нынешний срок существования Вселенной.

Если в галактике Mrk 501 действительно находится двойная сверхмассивная черная дыра, то орбитальное расстояние между ними составляет не более 0,0026 парсека, что говорит о том, что такие двойные системы могут найти способ закрыть щель, которую, как показывает физика, очень трудно преодолеть.

В любом случае, поскольку эта пока ещё не подтверждённая двойная система будет находиться очень близко друг к другу, время до их столкновения может быть действительно очень коротким — менее 100 лет, говорят исследователи. Поэтому за MRK 501 стоит понаблюдать, особенно с помощью массивов датчиков синхронизации пульсаров, которые могли бы обнаруживать низкочастотные гравитационные волны, излучаемые ими.

«Если будут обнаружены гравитационные волны, — говорит астроном Эктор Оливарес из Университета Радбоуда в Нидерландах, — мы можем даже увидеть, как их частота неуклонно возрастает по мере того, как два гиганта движутся по спирали к столкновению, что предоставит редкую возможность наблюдать за слиянием сверхмассивных черных дыр».