Слияние двух сверхмассивных черных дыр — явление, которое давно было предсказано, но никогда не наблюдалось напрямую. Одна из теорий, выдвинутая астрономами, заключается в том, что эти системы настолько массивны, что истощают родительскую галактику звездного материала, необходимого для их слияния. Используя архивные данные телескопа Gemini North, группа астрономов обнаружила двойную черную дыру, которая предоставляет убедительные доказательства, подтверждающие эту идею. По оценкам команды, масса двойной системы в колоссальные 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 слияний сверхмассивных черных дыр. . Авторы и права: NOIRLab/NSF/AURA/J. да Силва/М. Замани
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 двойную пару, то есть они находятся на связанной орбите друг с другом. Предполагается, что этим двоичным 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 в «Астрофизическом журнале» группа астрономов представила новый взгляд на этот вопрос.
Команда использовала данные телескопа Gemini North на Гавайях, половине Международной обсерватории Джемини, управляемой NOIRLab NSF, для анализа сверхмассивной двойной черной дыры, расположенной в эллиптической галактике B2 0402+379. Это единственная сверхмассивная двойная черная дыра, когда-либо разрешенная достаточно подробно, чтобы увидеть оба объекта по отдельности, и она является рекордсменом по наименьшему из когда-либо измеренных напрямую расстояний — всего 24 световых года. Хотя такое близкое разделение предвещает мощное слияние, дальнейшее исследование показало, что пара застряла на этом расстоянии более трех миллиардов лет, что вызывает вопрос: в чем задержка?
Чтобы лучше понять динамику этой системы и ее остановленное слияние, команда обратилась 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.
«Архив данных, обслуживающий Международную обсерваторию Джемини, содержит золотую жилу неиспользованных научных открытий», — говорит Мартин Стилл, директор программы NSF Международной обсерватории Джемини. «Измерения массы этой сверхмассивной двойной черной дыры являются впечатляющим примером потенциального воздействия новых исследований, изучающих этот богатый архив».
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. Кроме того, 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 несколько световых лет, где гравитационное излучение берет верх и они сливаются. Этот процесс непосредственно наблюдался в парах черных дыр звездной массы — первый зарегистрированный случай был зарегистрирован в 2015 году благодаря обнаружению гравитационных волн — но никогда в двойных сверхмассивных системах.
Обладая новыми знаниями о чрезвычайно большой массе системы, команда пришла к выводу, что для того, чтобы замедлить орбиту двойной системы настолько, чтобы приблизить ее так близко, потребовалось бы исключительно большое количество звезд. 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 застопорилось на заключительной стадии.
«Обычно кажется, что галактики с более легкими парами черных дыр имеют достаточно звезд и массы, чтобы быстро сблизить их», — сказал Романи. «Поскольку эта пара настолько тяжелая, для выполнения этой работы потребовалось много звезд и газа. Но двойная система очистила центральную галактику от такой материи, оставив ее остановленной и доступной для нашего изучения».
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 они 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.
«Мы с нетерпением ждем дальнейших исследований ядра B2 0402+379, где мы посмотрим, сколько газа в нем присутствует», — говорит Тирт Сурти, студент Стэнфорда и ведущий автор статьи. «Это должно дать нам больше информации о том, смогут ли сверхмассивные черные дыры в конечном итоге слиться или же они останутся бинарными».
Информация от: Национальным научным фондом
