Виявлено пару надмасивних чорних дір перед їхнім злиттям
У центрі галактики Маркарян 501 (Mrk 501), судячи з усього, знаходиться не одна надмасивна чорна діра, а дві. Результати радіоастрономічних спостережень, проведені протягом кількох років, вказують на те, що вони можуть злитися всього через 100 років.
Про відкриття повідомляють в Товаристві ім. Макса Планка, передають OstanniPodii.com.
Сучасні дані свідчать про те, що в центрі майже кожної великої галактики знаходиться надмасивна чорна діра, маса якої в мільйони, а то й мільярди разів перевищує масу нашого Сонця. Досі залишається нез′ясованим, як саме вони можуть досягати таких величезних мас. Одне лише накопичення (акреція) газу з навколишнього простору зайняло б надто багато часу, тому ймовірно, що їм доводиться зливатися з іншими масивними чорними дірами. Зіткнення галактик спостерігаються по всьому Всесвіту. Тому дуже ймовірно, що надмасивні чорні діри в центрах цих галактик, що зіткнулися, також зливаються, кружляючи одна навколо одної все ближче й ближче, і зрештою зливаючись в одну.
Однак теоретичні моделі поки що не можуть точно описати цю кінцеву фазу. Ситуацію ще більше ускладнює те, що жодної близької пари масивних чорних дір досі не було надійно виявлено, попри те, що зіткнення галактик є звичайним явищем у космічних масштабах часу. Міжнародна команда під керівництвом Сілке Брітцен з Інституту радіоастрономії імені Макса Планка (MPIfR) у Бонні знайшла прямі докази існування такої пари в центрі Mrk 501. Їхня робота була прийнята до публікації в журналі «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society» та з’явиться в одному з найближчих випусків.
Викривальний пучок частинок
Чорна діра в центрі Mrk 501 викидає у космос потужний джет частинок, що рухаються майже зі швидкістю світла. Для дослідження команда проаналізувала спостереження цього регіону з високою роздільною здатністю. Дані охоплюють різні радіочастоти й були зібрані протягом десятків днів за приблизно 23 років. Ці довгострокові дані виявляють не лише один джет, а й другий. Це перше пряме зображення такої системи в центрі галактики та чітка вказівка на існування другої надмасивної чорної діри.
«Ми так довго її шукали, і для нас стало справжньою несподіванкою, що ми змогли не тільки побачити другий джет, а й навіть відстежити його рух», — каже Сілке Брітцен.
Тісний танець чорних дір
Перший джет спрямований у бік Землі, тому він здається нам особливо яскравим і відомий вже давно. Другий джет орієнтований інакше, тому його було важче виявити. Протягом лише кількох тижнів астрономи спостерігали значні зміни: другий джет починається за більшою чорною дірою та рухається навколо неї проти годинникової стрілки. Цей процес повторюється.
«Аналіз даних нагадував перебування на кораблі. Вся система джетів перебуває в русі. Це можна пояснити системою двох чорних дір: площина орбіти коливається», — пояснює Сілке Брітцен.
В один з днів спостережень у червні 2022 року випромінювання, що виходило від системи, досягало нас таким викривленим шляхом, що здавалося кільцеподібним — так званим кільцем Ейнштейна. Одним з пояснень, що узгоджується з інтерпретацією системи подвійної чорної діри, було б те, що система була ідеально вирівняна щодо нас. Гравітаційне лінзування з боку відомої чорної діри, що знаходиться попереду, сформувало світло другого джета, розташованого позаду неї.
Аналізуючи динаміку у часі та повторювані закономірності в яскравості джетів, дослідники змогли зробити висновок, що дві чорні діри кружляють одна навколо одної з періодом приблизно 121 день. Вони знаходяться на відстані, яка приблизно в 250–540 разів перевищує відстань між Землею та Сонцем – це дуже мало для таких екстремальних об’єктів, маса яких становить від 100 мільйонів до мільярда разів більше маси Сонця. Залежно від їхньої фактичної маси, відстань між ними може скорочуватися настільки швидко, що вони можуть злитися вже за 100 років.
Відлік до фіналу
Через велику відстань між Mrk 501 і Землею (близько 500 млн світлових років) навіть найсучасніші методи спостереження не можуть зобразити ці дві чорні діри як окремі об’єкти. Навіть Телескоп горизонту подій (EHT), який надав нам перші зображення чорних дір у 2019 та 2022 роках, не є достатньо потужним. Тому орбіту, що все більше стискається у пари в Mrk 501, неможливо спостерігати безпосередньо. Проте вчені очікують чітких доказів постійного зменшення відстані між двома чорними дірами: система має випромінювати гравітаційні хвилі на дуже низьких частотах, які можна виявити за допомогою масивів таймінгу пульсарів (PTA).
Системи з двома надмасивними чорними дірами вже вважаються найвірогіднішим поясненням спостережуваного фонового випромінювання гравітаційних хвиль, докази існування якого були знайдені у 2023 році за допомогою Європейського масиву таймінгу пульсарів та інших обсерваторій. Система MRK 501 наразі є головним кандидатом для прив’язки виміряного за допомогою PTA випромінювання гравітаційних хвиль до конкретної системи з двома надмасивними чорними дірами.
«Якщо гравітаційні хвилі будуть виявлені, ми можемо навіть спостерігати постійне зростання їхньої частоти, коли ці два гіганти наближатимуться один до одного по спіралі, що дасть рідкісну можливість спостерігати за процесом злиття надмасивних чорних дір», — зазначив співавтор дослідження Гектор Оліварес.