Обнаружена пара сверхмассивных черных дыр перед их слиянием

В центре галактики Маркарян 501 (Mrk 501), судя по всему, находится не одна сверхмассивная черная дыра, а две. Результаты радиоастрономических наблюдений, проводившихся в течение нескольких лет, указывают на то, что они могут слиться уже через 100 лет.

Об открытии сообщают в Обществе им. Макса Планка, передают OstanniPodii.com.

Современные данные свидетельствуют о том, что в центре почти каждой большой галактики находится сверхмассивная черная дыра, масса которой в миллионы, а то и миллиарды раз превышает массу нашего Солнца. До сих пор остается невыясненным, как именно они могут достигать таких огромных масс. Одно лишь накопление (аккреция) газа из окружающего пространства заняло бы слишком много времени, поэтому вероятно, что им приходится сливаться с другими массивными черными дырами. Столкновения галактик наблюдаются по всей Вселенной. Поэтому весьма вероятно, что сверхмассивные черные дыры в центрах этих столкнувшихся галактик также сливаются, вращаясь одна вокруг другой все ближе и ближе, и в конце концов сливаются в одну.

Однако теоретические модели пока не могут точно описать эту конечную фазу. Ситуацию еще больше осложняет то, что ни одной близкой пары массивных черных дыр до сих пор не было надежно обнаружено, несмотря на то, что столкновения галактик являются обычным явлением в космических масштабах времени. Международная команда под руководством Сильке Бритцен из Института радиоастрономии имени Макса Планка (MPIfR) в Бонне нашла прямые доказательства существования такой пары в центре Mrk 501. Их работа была принята к публикации в журнале «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society» и появится в одном из ближайших выпусков.

Разоблачающий пучок частиц

Черная дыра в центре Mrk 501 выбрасывает в космос мощный джет частиц, движущихся почти со скоростью света. Для исследования команда проанализировала наблюдения этого региона с высоким разрешением. Данные охватывают различные радиочастоты и были собраны в течение десятков дней на протяжении примерно 23 лет. Эти долгосрочные данные выявляют не только один джет, но и второй. Это первое прямое изображение такой системы в центре галактики и четкое указание на существование второй сверхмассивной черной дыры.

«Мы так долго ее искали, и для нас стало настоящей неожиданностью, что мы смогли не только увидеть второй джет, но и даже отследить его движение», — говорит Сильке Бритцен.

Тесный танец черных дыр

Первый джет направлен в сторону Земли, поэтому он кажется нам особенно ярким и известен уже давно. Второй джет ориентирован иначе, поэтому его было сложнее обнаружить. В течение всего лишь нескольких недель астрономы наблюдали значительные изменения: второй джет начинается за большей черной дырой и движется вокруг нее против часовой стрелки. Этот процесс повторяется.

«Анализ данных напоминал пребывание на корабле. Вся система джетов находится в движении. Это можно объяснить системой двух черных дыр: плоскость орбиты колеблется», — объясняет Сильке Бритцен.

В один из дней наблюдений в июне 2022 года излучение, исходящее от системы, достигало нас по настолько искривленному пути, что казалось кольцеобразным — так называемым кольцом Эйнштейна. Одним из объяснений, согласующимся с интерпретацией системы двойной черной дыры, было бы то, что система была идеально выровнена относительно нас. Гравитационное линзирование со стороны известной черной дыры, находящейся впереди, сформировало свет второго джета, расположенного позади нее.

Анализируя динамику во времени и повторяющиеся закономерности в яркости джетов, исследователи смогли сделать вывод, что две черные дыры вращаются одна вокруг другой с периодом примерно 121 день. Они находятся на расстоянии, которое примерно в 250–540 раз превышает расстояние между Землей и Солнцем — это очень мало для таких экстремальных объектов, масса которых составляет от 100 миллионов до миллиарда раз больше массы Солнца. В зависимости от их фактической массы, расстояние между ними может сокращаться настолько быстро, что они могут слиться уже через 100 лет.

Обратный отсчет до финала

Из-за большого расстояния между Mrk 501 и Землей (около 500 млн световых лет) даже самые современные методы наблюдения не могут изобразить эти две черные дыры как отдельные объекты. Даже Телескоп горизонта событий (EHT), который предоставил нам первые изображения черных дыр в 2019 и 2022 годах, не является достаточно мощным. Поэтому орбиту, которая все больше сжимается в паре в Mrk 501, невозможно наблюдать напрямую. Однако ученые ожидают четких доказательств постоянного уменьшения расстояния между двумя черными дырами: система должна излучать гравитационные волны на очень низких частотах, которые можно обнаружить с помощью массивов тайминга пульсаров (PTA).

Системы с двумя сверхмассивными черными дырами уже считаются наиболее вероятным объяснением наблюдаемого фонового излучения гравитационных волн, доказательства существования которого были найдены в 2023 году с помощью Европейского массива тайминга пульсаров и других обсерваторий. Система MRK 501 в настоящее время является главным кандидатом для привязки измеренного с помощью PTA излучения гравитационных волн к конкретной системе с двумя сверхмассивными черными дырами.

«Если гравитационные волны будут обнаружены, мы сможем даже наблюдать постоянное увеличение их частоты, когда эти два гиганта будут спирально сближаться друг с другом, что даст редкую возможность наблюдать за процессом слияния сверхмассивных чёрных дыр», — отметил соавтор исследования Гектор Оливарес.

• Черные дыры