Пара надмасивних чорних дір зупинила своє злиття, чому?

Злиття двох надмасивних чорних дір — явище, яке давно передбачалося, але ніколи не спостерігалося. Знайдений астрономами найважчий серед коли-небудь виявлених бінар чорних дір дає підказки, чому така подія здається малоймовірною у Всесвіті.

Про це розповідають у Національній дослідницькій лабораторії оптико-інфрачервоної астрономії (NOIRLab) Національного наукового фонду (NSF) США, передають OstanniPodii.com.

Майже кожна масивна галактика має надмасивну чорну діру в своєму центрі. Коли дві галактики зливаються, їхні чорні діри можуть утворювати бінарну пару, тобто перебувати на зв′язаній орбіті одна з одною. Існує гіпотеза, що цим бінарним парам судилося врешті-решт злитися, але цього ніколи не спостерігалося. Питання про те, чи можлива така подія, було темою дискусій серед астрономів протягом десятиліть.

У нещодавно опублікованій статті в The Astrophysical Journal група астрономів представила новий погляд на це питання.

Команда використала дані телескопа "Джеміні-Північ" на Гаваях, який є половиною Міжнародної обсерваторії Джеміні, щоб проаналізувати бінар надмасивних чорних дір, розташований в еліптичній галактиці B2 0402+379. Це єдиний бінар надмасивних чорних дір, який вдалося розрізнити з достатньою деталізацією, щоб побачити обидва об′єкти окремо, і він є рекордсменом з найменшої відстані між об′єктами, яку вдалося виміряти безпосередньо — всього 24 світлових роки. Хоча така близька відстань пророкує потужне злиття, подальше дослідження показало, що пара застрягла на цій відстані вже понад три мільярди років, що наштовхує на питання: у чому причина затримки?

Щоб краще зрозуміти динаміку цієї системи та її зупинене злиття, команда звернулася до архівних даних з Багатооб′єктного спектрографа Джеміні (GMOS), які дозволили їм визначити швидкість зір в околицях чорних дір.

"Чудова чутливість GMOS дозволила нам картографувати збільшення швидкості зір у міру наближення до центру галактики", - каже Роджер Романі, професор фізики Стенфордського університету, співавтор роботи. "Завдяки цьому ми змогли зробити висновок про загальну масу чорних дір, які там знаходяться".

За оцінками команди, маса бінара у 28 мільярдів разів перевищує масу Сонця, що робить цю пару найважчим бінаром чорних дір з усіх коли-небудь виміряних. Це вимірювання не тільки дає цінний контекст формування подвійної системи та історії її галактики-господаря, але й підтверджує давню теорію про те, що маса бінара надмасивних чорних дір відіграє ключову роль у стримуванні потенційного злиття.

"Архів даних Міжнародної обсерваторії Джеміні містить золоту жилу невикористаних наукових відкриттів", - говорить Мартін Стілл, директор програми NSF для Міжнародної обсерваторії Джеміні. "Вимірювання маси цього бінара надмасивних чорних дір є дивовижним прикладом потенційного впливу нових досліджень, які вивчають цей багатий архів".

Розуміння того, як сформувався цей бінар, може допомогти передбачити, чи відбудеться його злиття, і коли саме — кілька підказок вказують на те, що пара утворилася внаслідок злиття кількох галактик. По-перше, B2 0402+379 — це "викопне скупчення", тобто результат злиття зір і газу цілого скупчення галактик в одну масивну галактику. Крім того, наявність двох надмасивних чорних дір у поєднанні з їхньою великою сумарною масою свідчить про те, що вони утворилися внаслідок злиття кількох менших чорних дір з різних галактик.

Після галактичного злиття надмасивні чорні діри не зіштовхуються в лоб. Замість цього вони починають пролітати одна повз одну, осідаючи на обмежену орбіту. З кожним проходом енергія передається від чорних дір до навколишніх зір. Втрачаючи енергію, пара затягується все ближче та ближче, доки не опиниться на відстані світлових років одна від одної, де гравітаційне випромінювання візьме гору і вони зіллються. Цей процес безпосередньо спостерігався в парах чорних дір зоряної маси — перший випадок був зафіксований у 2015 році завдяки виявленню гравітаційних хвиль — але ніколи не спостерігався в бінарних надмасивних системах.

Завдяки новим знанням про надзвичайно велику масу системи команда дійшла висновку, що для того, щоб сповільнити орбіту бінарної системи настільки, щоб вони зблизилися, потрібна була б надзвичайно велика кількість зір. У процесі цього чорні діри, схоже, викинули майже всю матерію у своєму оточенні, залишивши ядро галактики без зір і газу. Не маючи більше матеріалу для подальшого сповільнення орбіти пари, їхнє злиття зупинилося на завершальній стадії.

"Зазвичай здається, що галактики з легшими парами чорних дір мають достатньо зір і маси, щоб швидко зблизитися", - каже Романі. "Оскільки ця пара така важка, їй потрібно багато зір і газу, щоб виконати свою роботу. Але бінар прочистив центральну галактику від такої матерії, залишивши її застиглою та доступною для нашого дослідження".

Чи подолає пара стагнацію та врешті-решт зіллється через мільйони років, чи залишиться в орбітальному підвішеному стані назавжди, ще належить з′ясувати. Якщо вони таки зіллються, то гравітаційні хвилі, що утворяться, будуть у сотні мільйонів разів потужнішими, ніж ті, що утворюються при злитті чорних дір зоряної маси.

Цілком можливо, що пара зможе подолати цю останню відстань за допомогою іншого галактичного злиття, яке вдихне в систему додатковий матеріал або, можливо, третю чорну діру, щоб сповільнити орбіту пари настільки, щоб вона могла злитися. Однак, враховуючи статус B2 0402+379 як викопного скупчення, ще одне злиття галактик малоймовірне.

"Ми з нетерпінням чекаємо на подальші дослідження ядра B2 0402+379, де ми подивимося, скільки газу в ньому міститься", - каже Тірт Сурті, студент останнього курсу у Стенфорді й провідний автор статті. "Це дасть нам більше розуміння того, чи зможуть надмасивні чорні діри з часом злитися, чи вони залишаться у вигляді бінарної системи".