Обнаружена тесная пара сверхмассивных черных дыр на грани слияния в галактике Маркарян 501

Исследовательская группа под руководством Сильке Бритцен из Института радиоастрономии имени Макса Планка в Бонне обнаружила прямые доказательства существования двух сверхмассивных черных дыр в галактике Маркарян 501 (Markarian 501), которые вращаются друг вокруг друга на предельно близком расстоянии, находясь на грани слияния. Результаты этой работы, предоставляющей уникальную возможность понять эволюцию галактик, были опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Сверхмассивные черные дыры, расположенные в центрах большинства крупных галактик, остаются одной из самых интригующих загадок современной астрономии. Их масса может в миллионы или даже миллиарды раз превышать массу Солнца, и ключевой вопрос заключается в том, как они успевают накопить такие огромные размеры.

Простой сбор окружающего газа занял бы слишком много времени, поэтому основная гипотеза состоит в том, что эти гиганты растут за счет слияний друг с другом. Поскольку столкновения галактик это обычное явление во Вселенной, логично предположить, что и центральные черные дыры таких галактик со временем сближаются, образуя тесные пары, и в итоге объединяются в один еще более массивный объект. Однако до недавнего времени подтвердить существование таких тесных пар непосредственно не удавалось, что серьезно осложняло проверку теоретических моделей, особенно на финальной стадии их сближения.

Это положение изменило исследование галактики Маркарян 501 (Mrk 501) в созвездии Геркулеса. В центре этой галактики уже давно известна сверхмассивная черная дыра, выбрасывающая мощную струю частиц (джет), движущихся почти со скоростью света, направленную прямо на Землю, что делает ее особенно яркой. Команда ученых под руководством Сильке Бритцен проанализировала наблюдения этого региона с высоким разрешением, охватывающие различные радиочастоты и собранные в течение примерно 23 лет.

К их полной неожиданности, долгосрочные данные выявили не один, а два джета, что стало первым прямым изображением такой системы и явным свидетельством существования второй сверхмассивной черной дыры. Второй джет, ориентированный иначе, был менее заметен, но всего за несколько недель наблюдений астрономы зафиксировали его значительные изменения: он начинается за большей черной дырой и движется против часовой стрелки вокруг нее, причем этот процесс повторяется.

Такое поведение, напоминающее качающуюся плоскость орбиты, ученые объяснили именно системой из двух черных дыр. Кульминацией наблюдений стал день в июне 2022 года, когда излучение от системы достигло Земли по настолько извилистой траектории, что приобрело кольцеобразную форму — знаменитое кольцо Эйнштейна. Наиболее вероятное объяснение этого эффекта заключается в том, что система идеально выровнялась по отношению к нам, и гравитационное линзирование передней черной дырой исказило свет от струи задней.

Проанализировав изменения яркости и повторяющиеся закономерности, исследователи установили, что две черные дыры вращаются друг вокруг друга с периодом примерно 121 день. Расстояние между ними оценивается всего в 250–540 раз больше дистанции от Земли до Солнца, что для объектов с массой от 100 миллионов до миллиарда масс Солнца является ничтожно малым.

В зависимости от их точной массы, это расстояние может сокращаться настолько быстро, что они могут слиться всего за 100 лет. Из-за огромного удаления (456 млн св. лет) галактики Mrk 501 даже телескоп Event Horizon Telescope неспособен различить две черные дыры по отдельности, но ученые ожидают явных доказательств их сближения в виде излучения гравитационных волн на очень низких частотах, которые можно обнаружить с помощью массивов синхронизации пульсаров.

Таким образом, галактика Маркарян 501 становится главным кандидатом на то, чтобы связать конкретную двойную систему сверхмассивных черных дыр с недавно обнаруженным фоновым излучением гравитационных волн. Если гравитационные волны от этой системы будут обнаружены, ученые смогут в реальном времени наблюдать, как частота волн неуклонно растет по мере того, как два гиганта движутся по спирали к неизбежному столкновению. Это предоставит редчайшую возможность воочию проследить за процессом слияния сверхмассивных черных дыр, который играет ключевую роль в эволюции галактик.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях