Найдена самая тяжелая пара сверхмассивных черных дыр

Используя архивные данные телескопа Gemini North, группа астрономов измерила самую тяжелую пару сверхмассивных черных дыр, когда-либо обнаруженных. Слияние двух сверхмассивных черных дыр — явление, которое давно предсказывалось, но никогда не наблюдалось. Эта массивная пара дает подсказку о том, почему такое событие во Вселенной кажется столь маловероятным.

Почти каждая массивная галактика имеет в своем центре сверхмассивную черную дыру. Когда две галактики сливаются, их черные дыры могут образовать пару, то есть они находятся на связанной орбите друг с другом. Предполагается, что этим двойным системам суждено в конечном итоге слиться, но этого никогда не наблюдалось. Вопрос о том, возможно ли такое событие, был темой дискуссий среди астрономов на протяжении десятилетий.

В недавно опубликованной статье группа астрономов представила новый взгляд на этот вопрос.

Ученые использовали данные телескопа Gemini North на Гавайях, для анализа сверхмассивной двойной черной дыры, расположенной в эллиптической галактике B2 0402+379.

Это единственная сверхмассивная двойная черная дыра, когда-либо изученная с достаточной детализацией, чтобы увидеть оба объекта по отдельности, и она является рекордсменом по наименьшему из когда-либо измеренных прямых расстояний между черными дырами — всего 24 световых года. Хотя это близкое расстояние предвещает слияние, дальнейшее исследование показало, что пара застряла на этом расстоянии более трех миллиардов лет назад, что вызывает вопрос: в чем задержка?

Чтобы лучше понять динамику этой системы и ее остановленное слияние, ученые обратились к архивным данным многообъектного спектрографа Gemini North (GMOS), который позволил им определить скорость звезд в окрестностях черных дыр.

«Отличная чувствительность GMOS позволила нам составить карту увеличения скорости звезд по мере приближения к центру галактики», — сказал Роджер Романи, профессор физики Стэнфордского университета и соавтор статьи. «Благодаря этому мы смогли определить общую массу находящихся там черных дыр».

По оценкам команды, масса двойной системы в 28 миллиардов раз превышает массу Солнца, что делает эту пару самой тяжелой двойной черной дырой, когда-либо измеренной.

Это измерение не только дает ценный контекст для формирования двойной системы и истории ее родительской галактики, но и поддерживает давнюю теорию о том, что масса сверхмассивной двойной черной дыры играет ключевую роль в остановке потенциального слияния.

Понимание того, как образовалась эта двойная система, может помочь предсказать, произойдет ли ее слияние и когда это произойдет, а несколько подсказок указывают на то, что пара образовалась в результате слияния нескольких галактик. Во-первых, B2 ​​0402+379 — это «ископаемое скопление», то есть результат слияния звезд и газа целого скопления галактик в одну массивную галактику. Во-вторых, наличие двух сверхмассивных черных дыр в сочетании с их большой совокупной массой позволяет предположить, что они возникли в результате объединения нескольких меньших черных дыр из нескольких галактик.

После галактического слияния сверхмассивные черные дыры не сталкиваются лоб в лоб. Вместо этого они начинают пролетать мимо друг друга, выходя на связанную орбиту. При каждом их проходе энергия передается от черных дыр к окружающим звездам.

По мере того, как они теряют энергию, пара притягивается все ближе и ближе, пока они не оказываются друг от друга всего на расстоянии несколько световых лет, где гравитационное излучение берет верх и они сливаются. Этот процесс непосредственно наблюдался в парах черных дыр звездной массы, но никогда в двойных сверхмассивных системах.

Получив новые знания о чрезвычайно большой массе системы, команда пришла к выводу, что потребовалось бы исключительно большое количество звезд, чтобы замедлить орбиту двойной системы настолько, чтобы расположить их так близко.

При этом черные дыры, по-видимому, выбросили почти всю материю вокруг себя, оставив ядро ​​галактики без звезд и газа. Поскольку материала для дальнейшего замедления орбиты пары больше нет, их слияние остановилось на заключительной стадии.

Преодолеет ли пара свой застой и в конечном итоге сольется в течение миллионов лет или навсегда останется в орбитальном подвешенном состоянии, еще предстоит определить. Если черные дыры сольются, возникающие в результате гравитационные волны будут в сто миллионов раз мощнее, чем волны, возникающие в результате слияния черных дыр звездных масс.

Вполне возможно, что пара сможет преодолеть это последнее расстояние посредством еще одного слияния галактик, которое внедрит в систему дополнительный материал или, возможно, третью черную дыру, чтобы замедлить орбиту пары настолько, чтобы она могла слиться. Однако, учитывая статус B2 0402+379 как ископаемого скопления, новое галактическое слияние маловероятно.