В течение 100 лет может произойти столкновение двух гигантских черных дыр

Фото из открытых источников

Исследователи обнаружили второй выброс вещества, исходящий из ядра далёкой галактики, что является убедительным доказательством того, что две сверхмассивные чёрные дыры вращаются друг вокруг друга по тесной траектории. Такое объединение приближает систему к окончательному слиянию, что повышает вероятность того, что астрономы смогут наблюдать за этим сближением в течение жизни человека. Результаты исследования опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

В центре галактики Маркарян 501 рядом с ранее известным джетом появляется второй поток высокоэнергетического излучения, оба исходящие из одной и той же компактной области. Проанализировав долгосрочные радиоастрономические наблюдения, Сильке Бритцен из Института радиоастрономии им. Макса Планка (MPIFR) напрямую связала двойные струи с активностью в этом переполненном ядре.

Повторяющиеся изменения яркости и структуры образуют 121-дневный цикл, соответствующий ожидаемому движению двух массивных объектов, вращающихся друг вокруг друга. Такая закономерность сужает круг возможных объяснений до бинарной системы, приближающейся к завершающей стадии, но при этом оставляет достаточно неопределенности, чтобы потребовались дальнейшие наблюдения для подтверждения.

Поскольку блазар — это ядро галактики, направленное почти прямо на Землю, первый луч Markarian 501 выглядит необычайно ярким. Свет от направленного вперед луча усиливается, потому что вещество, движущееся со скоростью, близкой к скорости света, направлено приблизительно в нашу сторону и посылает в нашу сторону больше излучения.

Такое выравнивание помогло астрономам заметить известный луч в более ранних наблюдениях задолго до того, как стал отчетливо виден более слабый второй сигнал.  Блазар способен скрывать сложную структуру, поскольку один яркий луч может заглушать более слабые структуры вблизи того же центра на протяжении десятилетий.

В ходе 83 сеансов наблюдений команда перепроверяла высокочастотные радиоизображения, собранные с 2011 по 2023 год, вместо того чтобы начинать с нуля. Эти изображения были получены с помощью системы Very Long Baseline Array, состоящей из десяти соединенных между собой радиоантенн, расположенных по всей территории Соединенных Штатов, от Гавайев до Новой Англии.

Благодаря совместной работе антенн удалось достаточно улучшить изображение, чтобы, несмотря на огромное расстояние, различить детали, расположенные вблизи активного центра галактики. Без такой длительной записи странный изгиб мог бы выглядеть как шум, а не как повторяющееся во времени движение внутри изменяющегося ядра.

Яркость в ядре галактики возрастала и убывала с возможным 121-дневным циклом, что соответствовало многократным появлениям второго луча. Также наблюдалось более длительное семилетнее колебание, что свидетельствует о том, что вся внутренняя структура постепенно меняет свой угол с течением времени.

В модели, разработанной командой, более короткий ритм обозначает движение вокруг черных дыр, а более длинный — наклон орбиты. Эти периоды важны, потому что модель предполагает, что окончательное столкновение произойдет примерно через 100 лет, что достаточно близко для того, чтобы изменения стали измеримыми.

24 июня 2022 года на одном из радиоснимков вблизи ядра было видно, что второй луч искривился, образуя частичное кольцо. Гравитация может искривлять свет, а гравитационное линзирование — искривление света массивными объектами — может создавать дуги при правильном выравнивании.

Здесь известная центральная черная дыра, возможно, искривила свет от вещества, движущегося за ней в сторону Земли. Такая интерпретация соответствует картине с двумя черными дырами, но одно необычное изображение само по себе не может решить этот вопрос для всех.

Независимые астрономы отнеслись к этому утверждению с осторожностью, поскольку старые кандидаты в двойные системы часто тускнеют при более тщательной проверке с появлением новых данных.

Сложное поведение струй может ввести наблюдателей в заблуждение, когда яркий газ, угол обзора и ограниченное количество снимков плохо совпадают по расположению вокруг черной дыры. На данный момент более безопасный вариант — это вполне приемлемый, хотя наличие второго луча делает этот вариант в данном случае трудноигнорируемым.

«Есть надежда», — сказал Бритцен, указав на будущие испытания, которые могут подтвердить или опровергнуть это утверждение при тщательном мониторинге.

Современные гравитационные волны представляют собой крошечные растяжения в пространстве и времени, и они вошли в астрономию, когда в 2015 году обсерватории зафиксировали слияние черных дыр. Эти более ранние черные дыры были значительно меньше по сравнению с первыми, и их последний сигнал длился менее одной секунды.

Слияние в Маркариане 501 объединило бы гигантов, каждый из которых, по оценкам, имеет массу от 100 миллионов до одного миллиарда Солнц, что сделало бы сигнал необычайно сильным. Подобное столкновение сотрясло бы космическое пространство на более низких частотах, недоступных для современных наземных детекторов, но находящихся в пределах досягаемости синхронизации пульсаров.

Вместо этого используются массивы пульсарных синхронизирующих устройств ( PTA ), представляющие собой сети звездных часов, за которыми ведется наблюдение с Земли, и они могут улавливать медленные волны от гигантских звезд.

Пульсары посылают устойчивые радиоимпульсы, и проходящие волны могут незначительно изменяться по мере поступления этих импульсов в течение многих лет наблюдений. Недавние результаты измерений уже показывают наличие общего низкочастотного сигнала у десятков пульсаров в нашей галактике, что делает этот метод заслуживающим доверия.

Если волны источника Markarian 501 будут четко разделяться, он сможет стать не просто фоновым сигналом, а полноценным именованным источником. В течение следующего десятилетия ключевым вопросом станет, сократится ли 121-дневный ритм в радиоядре.

Сокращение интервала между циклами означало бы, что предполагаемые черные дыры теряют энергию и сближаются, поскольку гравитация уносит эту энергию. Если период останется неизменным или исчезнет, то другое объяснение появления второго луча, объясняющее странную картину, приобретет большую убедительность. В любом случае, эта галактика представляет ценность, поскольку неудача все равно позволит исследователям понять, как струи вводят в заблуждение в активных галактиках.

Объект «Маркарян 501» теперь предоставляет астрономам редкую возможность одновременно проверить свет, синхронизацию и гравитацию в масштабах, сопоставимых с человеческими временами. Подтверждение превратило бы далёкую галактику в систему, за которой ведётся наблюдение на заключительном этапе слияния гигантских чёрных дыр перед столкновением.