Використовуючи архівні дані телескопа Gemini North, астрономи виміряли найважчу пару надмасивних чорних дір з коли-небудь знайдених. Злиття двох надмасивних чорних дір – явище, яке давно передбачалося, але ніколи не спостерігалося. Ця масивна пара дає підказки, чому така подія здається малоймовірною у Всесвіті.
Майже кожна масивна галактика містить у своєму центрі надмасивну чорну діру. Коли дві галактики зливаються, їхні чорні діри можуть утворювати бінарну пару, тобто перебувати на зв’язаній орбіті одна з одною. Існує гіпотеза, що цим бінарним парам судилося з часом злитися, але цього ніколи не спостерігалося. Питання про те, чи можлива така подія, було темою дискусій серед астрономів протягом десятиліть.
Астрономи використали дані телескопа Gemini North на Гаваях, який є половиною Міжнародної обсерваторії Gemini, що управляється лабораторією NOIRLab Національного інституту фізики, щоб проаналізувати надмасивну подвійну чорну діру, розташовану в еліптичній галактиці B2 0402+379. Це єдина надмасивна подвійна чорна діра, яку вдалося розгледіти з достатньою деталізацією, щоб побачити обидва об’єкти окремо, і вона є рекордсменом з найменшої відстані, яку вдалося виміряти безпосередньо – всього 24 світлових роки. Хоча така близька відстань віщує потужне злиття, подальше дослідження показало, що пара застрягла на цій відстані вже понад три млрд років, що викликає питання: У чому причина затримки?
Щоб краще зрозуміти динаміку цієї системи та її зупинене злиття, команда звернулася до архівних даних багатооб’єктного спектрографа Gemini North (GMOS), який дозволив їм визначити швидкість зірок в околицях чорних дір.
“Чудова чутливість GMOS дозволила нам нанести на карту збільшення швидкості зірок у міру наближення до центру галактики”, – сказав Роджер Романі, професор фізики Стенфордського університету і співавтор статті. “Завдяки цьому ми змогли зробити висновок про загальну масу чорних дір, які там знаходяться”.
За оцінками команди, маса бінарної чорної діри у 28 млрд разів перевищує масу Сонця, що робить цю пару найважчою подвійною чорною дірою з усіх коли-небудь виміряних. Це вимірювання не тільки дає цінний контекст формування подвійної системи та історії її галактики-господаря, але й підтверджує давню теорію про те, що маса надмасивної подвійної чорної діри відіграє ключову роль у стримуванні потенційного злиття.
“Архів даних Міжнародної обсерваторії Gemini містить золоту жилу невикористаних наукових відкриттів”, – говорить Мартін Стілл, директор програми NSF для Міжнародної обсерваторії Gemini. “Вимірювання маси цієї надмасивної бінарної чорної діри є вражаючим прикладом потенційного впливу нових досліджень, які вивчають цей багатий архів”.
Розуміння того, як сформувалася ця подвійна, може допомогти передбачити, чи відбудеться її злиття, і коли саме – кілька підказок вказують на те, що пара утворилася внаслідок злиття кількох галактик. По-перше, B2 0402+379 – це “викопне скупчення”, тобто результат злиття зірок і газу цілого скупчення галактик в одну масивну галактику. Крім того, наявність двох надмасивних чорних дір у поєднанні з їхньою великою сумарною масою свідчить про те, що вони утворилися внаслідок злиття кількох менших чорних дір з різних галактик.
Після галактичного злиття надмасивні чорні діри не зіштовхуються в лоб. Замість цього вони починають пролітати одна повз одну, осідаючи на обмежену орбіту. З кожним проходом енергія передається від чорних дір до навколишніх зірок. Втрачаючи енергію, пара затягується все ближче і ближче, доки не опиниться на відстані світлових років одна від одної, де гравітаційне випромінювання візьме гору і вони зіллються. Цей процес безпосередньо спостерігався в парах чорних дір зоряної маси – перший випадок був зафіксований у 2015 році завдяки виявленню гравітаційних хвиль – але ніколи не спостерігався в бінарних надмасивних системах.
Завдяки новим знанням про надзвичайно велику масу системи команда дійшла висновку, що для того, щоб сповільнити орбіту бінарної системи настільки, щоб вони зблизилися, потрібна була б надзвичайно велика кількість зірок. У процесі цього чорні діри, схоже, викинули майже всю матерію у своєму оточенні, залишивши ядро галактики без зірок і газу. Не маючи більше матеріалу для подальшого сповільнення орбіти пари, їхнє злиття зупинилося на завершальній стадії.
“Зазвичай здається, що галактики з легшими парами чорних дір мають достатньо зірок і маси, щоб швидко зблизитися, – каже Романі. “Оскільки ця пара така важка, їй потрібно багато зірок і газу, щоб виконати роботу. Але бінарна прочистила центральну галактику від такої матерії, залишивши її застиглою і доступною для нашого дослідження”.
Чи подолають вони стагнацію і врешті-решт зіллються за мільйони років, чи залишаться в орбітальному підвішеному стані назавжди, ще належить з’ясувати. Якщо вони зіллються, то гравітаційні хвилі, що утворяться в результаті, будуть у 100 млн разів потужнішими, ніж ті, що утворюються при злитті чорних дір зоряної маси.
Цілком можливо, що пара зможе подолати цю останню відстань за допомогою іншого злиття галактик, яке вдихне в систему додатковий матеріал або, можливо, третю чорну діру, щоб сповільнити орбіту пари настільки, щоб вона могла злитися. Однак, враховуючи статус B2 0402+379 як викопного скупчення, нове злиття галактик малоймовірне.
“Ми з нетерпінням чекаємо на подальші дослідження ядра B2 0402+379, де ми подивимося, скільки газу в ньому міститься”, – каже Тірт Сурті, студент Стенфорда і провідний автор статті. “Це дасть нам більше розуміння того, чи можуть надмасивні чорні діри з часом злитися, чи вони залишаться у вигляді бінарної системи”.
Читайте також: