Открыта уникальная сверхмассивная двойная черная дыра PKS 2131-021

Две сверхмассивные черные дыры, находящиеся на расстоянии 9 миллиардов световых лет от Земли, вращаются вокруг друг друга каждые два года. Каждое из двух гигантских тел имеет массу, в сотни миллионов раз превышающую массу нашего Солнца, а расстояние между объектами примерно в 50 раз превышает расстояние, разделяющее Солнце и Плутон. Ожидается, что когда пара сольется примерно через 10 000 лет, колоссальное столкновение сотрясет пространство и время, посылая гравитационные волны по всей Вселенной.

Группа астрономов под руководством Калифорнийского технологического института обнаружила доказательства того, что этот сценарий происходит внутри очень энергичного объекта, известного как квазар.

Квазары — это активные ядра галактик, в которых сверхмассивная черная дыра выкачивает материал из окружающего ее диска. В некоторых квазарах сверхмассивная черная дыра создает струю, летящую со скоростью, близкой к скорости света.

Квазар, наблюдаемый в новом исследовании, PKS 2131-021, принадлежит к подклассу квазаров, называемых блазарами, в которых струя направлена ​​на Землю. Астрономы уже знали, что квазары могут обладать двумя сверхмассивными черными дырами, но найти прямые доказательства этого оказалось непросто.

Теперь астрономы утверждают, что PKS 2131-021 является вторым известным кандидатом на роль пары сверхмассивных черных дыр, пойманных в процессе слияния. Первая пара-кандидат внутри квазара под названием OJ 287 вращается вокруг друг друга на большем расстоянии, совершая оборот каждые девять лет, по сравнению с двумя годами, которые требуются паре PKS 2131-021 для завершения орбиты.

Контрольные доказательства были получены в результате радионаблюдений PKS 2131-021, которые охватывают 45 лет. Согласно исследованию, мощная струя, исходящая от одной из двух черных дыр внутри PKS 2131-021, смещается вперед и назад из-за орбитального движения пары.

Это вызывает периодические изменения яркости радиосвета квазара. Колебания были зарегистрированы пятью различными обсерваториями, в том числе радиообсерваторией Owens Valley (OVRO) Калифорнийского технологического института, радиоастрономической обсерваторией Мичиганского университета (UMRAO), обсерваторией Haystack Массачусетского технологического института, национальной радиоастрономической обсерваторией (NRAO), радиообсерваторией Metsähovi в Финляндии и космическим телескопом WISE.

Комбинация радиоданных дает почти идеальную синусоидальную кривую блеска, в отличие от всего, что наблюдалось у квазаров ранее.

«Когда мы поняли, что пики и впадины кривой блеска, обнаруженные в последнее время, совпадают с пиками и впадинами, наблюдаемыми между 1975 и 1983 годами, мы поняли, что происходит что-то особенное», — говорят ученые.

Рябь в пространстве и времени

Большинство галактик обладают черными дырами в своих ядрах, включая нашу собственную галактику Млечный Путь. Когда галактики сливаются, их черные дыры «погружаются» в середину новообразованной галактики и в конечном итоге объединяются, образуя еще более массивную черную дыру.

По мере того, как черные дыры движутся по спирали друг к другу, они все больше и больше нарушают ткань пространства и времени, испуская гравитационные волны, которые впервые были предсказаны Альбертом Эйнштейном более 100 лет назад.

LIGO (лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) обнаруживает гравитационные волны от пар черных дыр, масса которых в десятки раз превышает массу нашего Солнца. Однако сверхмассивные черные дыры в центрах галактик имеют массу, в миллионы и миллиарды раз превышающую массу нашего Солнца, и излучают более низкие частоты гравитационных волн, чем обнаруженные LIGO.

В будущем ученые должны быть в состоянии обнаруживать гравитационные волны от сверхмассивных черных дыр такого веса. Например, предстоящая миссия Laser Interferometer Space Antenna, или LISA, позволит обнаружить сливающиеся черные дыры, массы которых в 1000–10 миллионов раз превышают массу нашего Солнца, но PKS 2131-021 представляет собой наиболее многообещающую цель.

Между тем, световые волны — лучший способ обнаружить слияние сверхмассивных черных дыр.

Первый такой кандидат, OJ 287, также демонстрирует периодические вариации радиоизлучения. Эти колебания более нерегулярны и не синусоидальны, но они предполагают, что черные дыры вращаются вокруг друг друга каждые девять лет.

Черные дыры внутри нового квазара PKS 2131-021 вращаются друг вокруг друга каждые два года и находятся на расстоянии 2000 астрономических единиц друг от друга, что примерно в 50 раз превышает расстояние между нашим Солнцем и Плутоном или в 10–100 раз ближе, чем пара в OJ 287. (Астрономическая единица — это расстояние между Землей и Солнцем.)