Астрофізики дослідили галактику Маркарян 501. Вона містить у своєму центрі не одну, а одразу дві надмасивні чорні діри, які розташовані безпрецедентно близько одна до одної. Період їхнього обертання становить лише 121 земну добу й стрімко скорочується.
Утворення надмасивних чорних дір
Надмасивні чорні діри в центрах галактик є однією з найактивніших областей досліджень
астрономії. Щоб накопичити свої величезні маси, вони мусять зливатися одна з одною.
Дослідницька група під керівництвом Сілке Брітцен з Інституту радіоастрономії імені Макса Планка
(MPIfR) у Бонні знайшла прямі докази існування двох надмасивних чорних дір у галактиці
Маркарян 501, які обертаються одна навколо одної на дуже близькій відстані. Це може бути
перший випадок виявлення пари, яка ось-ось зіллється. Це надає унікальну можливість краще
зрозуміти центральний процес еволюції галактик.
Результати досліджень свідчать про те, що в центрі майже кожної великої галактики розташована
надмасивна чорна діра, маса якої у мільйони, а то й мільярди разів перевищує масу нашого Сонця.
Досі залишається незрозумілим, як саме вони досягають таких величезних мас. Саме по собі
накопичення (акреція) газу з навколишнього простору зайняло б занадто багато часу, тому,
ймовірно, їм доводиться зливатися з іншими масивними чорними дірами. Зіткнення галактик
спостерігаються по всьому Всесвіту. Тому дуже ймовірно, що надмасивні чорні діри в центрах галактик, що зіткнулися, також зливаються, спочатку обертаючись одна навколо одної все ближче і
ближче, а потім зливаючись в одну.
Два потужних струмені частинок у галактиці Маркарян 501
Однак теоретичні моделі поки що не можуть точно описати цю завершальну фазу. Ситуацію ще більше ускладнює те, що досі достовірно не виявили жодної пари масивних чорних дір, що перебувають на близькій відстані, попри те, що зіткнення галактик є звичайним явищем у космічних масштабах часу. Нещодавнє дослідження галактики Маркарян 501 (Mrk 501) у сузір’ї Геркулеса змінило цю ситуацію.
Чорна діра в центрі галактики Маркарян 501 викидає у космос потужний струмінь частинок, що рухаються зі швидкістю, близькою до світлової. У межах дослідження команда проаналізувала дані спостережень за цією областю з високою роздільною здатністю. Ці дані охоплюють різні радіочастоти й були зібрані протягом десятків днів приблизно за 23 роки. Ці довгострокові дані виявляють не лише один струмінь, 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, й для нас стало справжньою несподіванкою, що ми змогли не тільки побачити другий струмінь, а й відстежити його рух», — повідомляє Брітцен.
Близький танець чорних дір
Перший струмінь спрямований у бік Землі, тому він видається нам особливо яскравим. Він відомий уже давно. Другий струмінь орієнтований інакше, тому його було важче виявити. Протягом лише кількох тижнів астрономи спостерігали значні зміни: другий струмінь починається за більшою чорною дірою і рухається навколо неї проти годинникової стрілки. Цей процес повторюється.
В один із днів спостережень, у червні 2022 року, випромінювання, що виходило від системи, досягало нас таким викривленим шляхом, що здавалося кільцеподібним — так званим кільцем Ейнштейна. Найімовірнішим поясненням є те, що система була ідеально вирівняна щодо нас. Гравітаційне лінзування відомої чорної діри, що розташована попереду, сформувало світло другого струменя, що за нею.
Аналізуючи динаміку змін у часі та повторювані закономірності в яскравості струменів, науковці змогли зробити висновок, що ці дві чорні діри обертаються одна навколо одної з періодом приблизно 121 день. Відстань між ними у 250–540 разів перевищує відстань між Землею та Сонцем, що вкрай мало для настільки екстремальних об’єктів із масою від 100 млн до 1 млрд сонячних. Залежно від їхньої реальної маси, ця відстань може скорочуватися так швидко, що злиття станеться вже приблизно за 100 років.
Прив’язка до гравітаційних хвиль
Через велику відстань між Маркарян 501 і Землею навіть найсучасніші методи спостереження не дозволяють зобразити ці дві чорні діри як окремі об’єкти. Навіть телескоп Event Horizon Telescope (EHT), який у 2019 та 2022 роках надав нам перші зображення чорних дір, не має для цього достатньої потужності. Тому орбіту цієї пари, що дедалі стискається, неможливо спостерігати безпосередньо. Водночас науковці очікують отримати чіткі докази постійного зближення об’єктів: система має випромінювати гравітаційні хвилі дуже низьких частот, які можна виявити за допомогою масивів синхронізації пульсарів (PTA).
Системи з двома надмасивними чорними дірами (SMBHB) вже вважаються найімовірнішим поясненням спостережуваного фонового випромінювання гравітаційних хвиль, докази існування якого були знайдені у 2023 році за допомогою Європейської мережі вимірювання часу пульсарів (PTA) та інших обсерваторій. Система Маркарян 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, як їхня частота поступово зростає, коли ці два гіганти наближаються до зіткнення, що дасть рідкісну можливість спостерігати за процесом злиття надмасивних чорних дір», — зазначає співавтор дослідження Гектор Оліварес.
За матеріалами phys.org
