Астрофизики исследовали галактику Маркарян 501. Она содержит в своем центре не одну, а сразу две сверхмассивные черные дыры, которые находятся беспрецедентно около друг друга. Период их вращения составляет лишь 121 земное время и стремительно сокращается.
Образование сверхмассивных черных дыр
Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик являются одной из самых активных областей исследований астрономии. Чтобы накопить свои огромные массы, они должны сливаться друг с другом. Исследовательская группа под руководством Сильке Бритцен из Института радиоастрономии имени Макса Планка (MPIfR) в Бонне обнаружила прямые доказательства существования двух сверхмассивных черных дыр в галактике Маркарян 501, которые вращаются друг вокруг друга на очень близком расстоянии. Это может быть первый случай обнаружения пары, которая вот-вот сольется. Это дает уникальную возможность лучше понять центральный процесс эволюции галактик.
Результаты исследований свидетельствуют о том, что в центре почти каждой крупной галактики находится сверхмассивная черная дыра, масса которой в миллионы, а то и миллиарды раз превышает массу нашего Солнца. До сих пор остается непонятным, как именно они достигают таких огромных масс. Само по себе накопление (аккреция) газа из окружающего пространства заняло бы слишком много времени, поэтому, вероятно, им приходится сливаться с другими массивными черными дырами. Столкновения галактик наблюдаются по всей Вселенной. Поэтому весьма вероятно, что сверхмассивные черные дыры в центрах столкнувшихся галактик также сливаются, сначала вращаясь одна вокруг другой все ближе и ближе, а затем сливаясь в одну.
Две мощные струи частиц в галактике Маркарян 501
Однако теоретические модели пока не могут точно описать эту заключительную фазу. Ситуацию еще больше усложняет то, что до сих пор не было достоверно обнаружено ни одной пары массивных черных дыр, находящихся на близком расстоянии, несмотря на то, что столкновение галактик является обычным явлением в космических масштабах времени. Недавнее исследование галактики Маркарян 501 (Mrk 501) в созвездии Геркулеса изменило ситуацию.
Черная дыра в центре галактики Маркарян 501 выбрасывает в космос мощную струю движущихся частиц со скоростью, близкой к скорости света. В рамках исследования команда проанализировала данные наблюдений за этой областью с высоким разрешением. Эти данные охватывают различные радиочастоты и были собраны в течение десятков дней на протяжении примерно 23 лет. Эти долгосрочные данные обнаруживают не только одну струю, но и другую. 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 вторую струю, но и отследить ее движение», — сообщает Бритцен.
Близкий танец черных дыр
Первая струя направлена в сторону Земли, поэтому она кажется нам особенно яркой. Она известна уже давно. Вторая струя ориентирована иначе, поэтому ее было труднее обнаружить. В течение нескольких недель астрономы наблюдали значительные изменения: вторая струя начинается за большей черной дырой и двигается вокруг нее против часовой стрелки. Этот процесс повторяется.
В один из дней наблюдений, в июне 2022 года, исходившее от системы излучение достигало нас таким искривленным путем, что казалось кольцеобразным — так называемым кольцом Эйнштейна. Наиболее вероятным объяснением является то, что система была идеально выровнена по отношению к нам. Гравитационное линзирование находящейся впереди известной черной дыры сформировало свет второй струи, расположенной за ней.
Проанализировав динамику изменений во времени и повторяющиеся закономерности в яркости струй, ученые пришли к выводу, что эти две черные дыры вращаются друг вокруг друга с периодом примерно 121 день. Расстояние между ними в 250–540 раз превышает расстояние между Землей и Солнцем, что крайне мало для столь экстремальных объектов с массой от 100 млн до 1 млрд солнечных. В зависимости от их реальной массы, это расстояние может сокращаться так быстро, что слияние произойдет уже примерно через 100 лет.
Привязка к гравитационным волнам
Из-за большого расстояния между Маркарян 501 и Землей даже самые современные методы наблюдения не позволяют изобразить эти две черные дыры как отдельные объекты. Даже телескоп Event Horizon Telescope (EHT), который в 2019 и 2022 годах предоставил нам первые изображения черных дыр, не имеет для этого достаточной мощности. Поэтому орбиту этой все более сжимающейся пары невозможно наблюдать напрямую. В то же время ученые рассчитывают получить убедительные доказательства постоянного сближения объектов: система должна излучать гравитационные волны очень низких частот, которые можно обнаружить с помощью массивов синхронизации пульсаров (PTA).
Системы с двумя сверхмассивными черными дырами (SMBHB) уже считаются вероятным объяснением наблюдаемого фонового излучения гравитационных волн, доказательства существования которого были найдены в 2023 году с помощью Европейской сети измерения времени пульсаров (PTA) и других обсерваторий. Система Маркарян 501 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 можем даже наблюдать, как их частота постепенно растет, когда эти два гиганта приближаются к столкновению, что даст редкую возможность наблюдать процесс слияния сверхмассивных черных дыр», — отмечает соавтор исследования Гектор Оливарес.
По материалам phys.org
