Пара сверхмассивных черных дыр остановила свое слияние, почему?

Слияние двух сверхмассивных черных дыр — явление, которое давно предполагалось, но никогда не наблюдалось. Найденный астрономами самый тяжелый среди когда-либо обнаруженных бинар черных дыр дает подсказки, почему такое событие кажется маловероятным во Вселенной.

Об этом рассказывают в Национальной исследовательской лаборатории оптико-инфракрасной астрономии (NOIRLab) Национального научного фонда (NSF) США, передают OstanniPodii.com.

Почти каждая массивная галактика имеет сверхмассивную черную дыру в своем центре. Когда две галактики сливаются, их черные дыры могут образовывать бинарную пару, то есть находиться на связанной орбите друг с другом. Существует гипотеза, что этим бинарным парам суждено в конце концов слиться, но этого никогда не наблюдалось. Вопрос о том, возможно ли такое событие, был темой дискуссий среди астрономов на протяжении десятилетий.

В недавно опубликованной статье в The Astrophysical Journal группа астрономов представила новый взгляд на этот вопрос.

Команда использовала данные телескопа "Джемини-Север" на Гавайях, являющийся половиной Международной обсерватории Джемини, чтобы проанализировать бинар сверхмассивных черных дыр, расположенный в эллиптической галактике B2 0402+379. Это единственный бинар сверхмассивных черных дыр, который удалось различить с достаточной детализацией, чтобы увидеть оба объекта по отдельности, и он является рекордсменом по наименьшему расстоянию между объектами, которое удалось измерить напрямую — всего 24 световых года. Хотя такое близкое расстояние предсказывает мощное слияние, дальнейшее исследование показало, что пара застряла на этом расстоянии уже более трех миллиардов лет, что наталкивает на вопрос: в чем причина задержки?

Чтобы лучше понять динамику этой системы и её остановленное слияние, команда обратилась к архивным данным с Многообъектного спектрографа Джемини (GMOS), которые позволили им определить скорость звезд в окрестностях черных дыр.

"Превосходная чувствительность GMOS позволила нам картографировать увеличение скорости звезд по мере приближения к центру галактики", - говорит Роджер Романи, профессор физики Стэнфордского университета, соавтор работы. "Благодаря этому мы смогли сделать вывод об общей массе черных дыр, которые там находятся".

По оценкам команды, масса бинара в 28 миллиардов раз превышает массу Солнца, что делает эту пару самым тяжелым бинаром черных дыр из всех когда-либо измеренных. Это измерение не только дает ценный контекст формирования двойной системы и истории её галактики-хозяина, но и подтверждает давнюю теорию о том, что масса бинара сверхмассивных черных дыр играет ключевую роль в сдерживании потенциального слияния.

"Архив данных Международной обсерватории Джемини содержит золотую жилу неиспользованных научных открытий", - говорит Мартин Стилл, директор программы NSF для Международной обсерватории Джемини. "Измерение массы этого бинара сверхмассивных черных дыр является удивительным примером потенциального влияния новых исследований, изучающих этот богатый архив".

Понимание того, как сформировался этот бинар, может помочь предсказать, произойдет ли его слияние, и когда именно — несколько подсказок указывают на то, что пара образовалась в результате слияния нескольких галактик. Во-первых, B2 0402+379 — это "ископаемое скопление", то есть результат слияния звезд и газа целого скопления галактик в одну массивную галактику. Кроме того, наличие двух сверхмассивных черных дыр в сочетании с их большой суммарной массой свидетельствует о том, что они образовались в результате слияния нескольких меньших черных дыр из разных галактик.

После галактического слияния сверхмассивные черные дыры не сталкиваются в лоб. Вместо этого они начинают пролетать друг мимо друга, оседая на ограниченную орбиту. С каждым проходом энергия передается от черных дыр к окружающим звездам. Теряя энергию, пара затягивается все ближе и ближе, пока не окажется на расстоянии световых лет друг от друга, где гравитационное излучение возьмет верх и они сольются. Этот процесс непосредственно наблюдался в парах черных дыр звездной массы — первый случай был зафиксирован в 2015 году благодаря обнаружению гравитационных волн — но никогда не наблюдался в бинарных сверхмассивных системах.

Благодаря новым знаниям о чрезвычайно большой массе системы команда пришла к выводу, что для того, чтобы замедлить орбиту бинарной системы настолько, чтобы они сблизились, нужно было бы чрезвычайно большое количество звезд. В процессе этого черные дыры, похоже, выбросили почти всю материю в своем окружении, оставив ядро галактики без звезд и газа. Не имея больше материала для дальнейшего замедления орбиты пары, их слияние остановилось на завершающей стадии.

"Обычно кажется, что галактики с более легкими парами черных дыр имеют достаточно звезд и массы, чтобы быстро сблизиться", - говорит Романи. "Поскольку эта пара такая тяжелая, ей нужно много звезд и газа, чтобы выполнить свою работу. Но бинар прочистил центральную галактику от такой материи, оставив её застывшей и доступной для нашего исследования".

Преодолеет ли пара стагнацию и в конце концов сольется через миллионы лет, или останется в орбитальном подвешенном состоянии навсегда, еще предстоит выяснить. Если они таки сольются, то образующиеся гравитационные волны будут в сотни миллионов раз мощнее, чем те, что образуются при слиянии черных дыр звездной массы.

Вполне возможно, что пара сможет преодолеть это последнее расстояние с помощью другого галактического слияния, которое вдохнет в систему дополнительный материал или, возможно, третью черную дыру, чтобы замедлить орбиту пары настолько, чтобы она могла слиться. Однако, учитывая статус B2 0402+379 как ископаемого скопления, еще одно слияние галактик маловероятно.

"Мы с нетерпением ждем дальнейших исследований ядра B2 0402+379, где мы посмотрим, сколько газа в нем содержится", - говорит Тирт Сурти, студент последнего курса в Стэнфорде и ведущий автор статьи. "Это даст нам больше понимания того, смогут ли сверхмассивные черные дыры со временем слиться, или они останутся в виде бинарной системы".