Обнаружены статистические доказательства отдачи сверхмассивных черных дыр

Фото из открытых источников

Галактические столкновения — это события поразительных масштабов. Сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД) в своих центрах погружаются в хаотичный орбитальный танец, в конечном итоге сливаясь в единый остаток. На пути к этой точке они могут быть «выброшены» из центра своей галактики, и обнаружение этих «отталкивающихся» чёрных дыр десятилетиями оставалось сложной задачей космологии. В новой статье, опубликованной на arXiv международной группой исследователей, использована оригинальная идея для отслеживания этих быстро движущихся гигантов.

Но на пути к этой окончательной точке равновесия странность теории общей относительности Эйнштейна вызывает еще больший хаос. Если сливающиеся черные дыры имеют смещенное вращение или неравные массы, они будут испускать гравитационные волны в одном направлении, которые затем резко изменят их импульс в противоположном направлении. Хотя сказать, что это очень большой импульс, — это еще мягко сказано. Эти черные дыры ускоряются до скорости сотен или даже тысяч километров в секунду.

В статье представлена новаторская идея, сосредоточенная на том, что сопровождает черные дыры, когда они выбрасываются из своих галактических центров. В частности, их скорость должна быть связана с количеством окружающей их пыли. Используя тенденцию, первоначально предсказанную моделированием несколько десятилетий назад, исследователи стремились доказать, что при выбросе сверхмассивной черной дыры она увлекает за собой свой плотно связанный внутренний аккреционный диск, который представлен областью широких линий, где сильное доплеровское смещение размывает эмиссионные линии.

Напротив, более рассеянные пылевые облака, расположенные дальше от черной дыры, остаются на месте, когда сверхмассивная черная дыра подвергается воздействию. Они регистрируются спектрографическим сигналом, называемым областью узких линий. Эти пылевые облака в большей степени связаны с самой галактикой, чем с черной дырой, и поэтому не следуют за черной дырой непосредственно. Обнаружение сдвига длины волны между областью широких и узких линий позволило бы исследователям рассчитать смещение скорости черной дыры. Сочетание этого с измерением пыли вокруг каждого квазара (где, как считалось, черные дыры с более высокими скоростями окружены большей пылью) позволило бы статистически разделить черные дыры, которые активно подвергались воздействию, от тех, которые оставались неподвижными.

В результате была обнаружена умеренная, но весьма значимая положительная корреляция между смещением скорости квазара (то есть его скоростью) и количеством пыли, которой он был окружен. Но чтобы доказать свою точку зрения, они провели тот же анализ, сравнивая только области узких линий, чтобы убедиться в отсутствии статистической случайности. Поскольку предполагалось, что все области узких линий останутся позади, корреляция должна была исчезнуть, что и произошло.

Однако в исследовании возникла одна загвоздка: сверхмассивные черные дыры, которые кажутся смещенными в синюю сторону спектра (то есть движущиеся к нам), оказываются более затененными пылью, чем те, которые удаляются. Это противоречит ожиданиям, основанным на модели чистого отдачи, хотя у команды есть несколько потенциальных объяснений этому явлению, включая предвзятость в аппроксимации спектральных линий или некоторые менее изученные физические процессы, одновременно воздействующие на черную дыру.

Поскольку это было статистическое исследование, важно отметить, что это всего лишь корреляция, а не причинно-следственная связь. Но оно дает некоторое интригующее представление о том, что мы можем ожидать увидеть, когда начнут работу обсерватории гравитационных волн следующего поколения, такие как миссия LISA Европейского космического агентства. Авторы предполагают, что до 50% известных квазаров могли образоваться в результате относительно недавнего слияния черных дыр. Если это так, то у этих космических обсерваторий будет настоящий кладезь данных для сбора. И в конечном итоге мы, возможно, найдем надежный способ отслеживать этих огромных, быстро движущихся космологических гигантов.