Большие галактики, такие как наша, являются хозяевами сверхмассивных черных дыр (СМЧД). Они могут быть настолько массивными, что сопротивляются пониманию, а некоторые из них имеют массу в миллиарды раз больше массы Солнца. Наша, названная Стрелец А* (Sgr A*), немного скромнее — около четырех миллионов солнечных масс.
Астрофизики изучили Sgr A*, чтобы узнать о нем больше, включая его возраст. Они говорят, что он образовался около девяти миллиардов лет назад.
SMBH — самые заманчивые объекты Вселенной. Они настолько массивны, что их гравитационное притяжение может задерживать свет. Они окружены вращающимся кольцом материала, называемым аккреционным диском, который подает материал в дыру. Когда они активно питаются, их называют активными ядрами галактик (AGN). Самые яркие AGN называются квазарами, и они могут затмить целые галактики.
Как ученые могут определить возраст этих сбивающих с толку объектов? Как они могут узнать, когда образовалась наша черная дыра Sgr A*? Собирая данные, объединяя их и запуская симуляции.
Эти усилия начались всерьез в апреле 2017 года, когда Event Horizon Telescope (EHT) наблюдал черную дыру в центре галактики M87. Это был первый раз, когда мы увидели изображение черной дыры, и оно было продолжено в 2022 году, когда EHT наблюдал Sgr A*.
Новое исследование, опубликованное в Nature Astronomy, опиралось на наблюдения EHT, чтобы установить возраст и происхождение Sgr A*. Оно называется «Доказательства прошлого слияния черной дыры Галактического центра». Авторы — Ихан Ван и Бин Чжан, оба астрофизики из Университета Невады, Лас-Вегас.
Черные дыры растут двумя способами. Они аккрецируют материю со временем и сливаются. Астрофизики считают, что для образования сверхмассивной черной дыры требуется слияние галактик, и Sgr A* не исключение. Вероятно, она образовалась в результате слияния, хотя также аккрецирует материю.
Sgr A* необычен. Он быстро вращается и смещен относительно Млечного Пути. Это свидетельствует о слиянии в прошлом, по мнению Вана и Чжана, возможно, с давно исчезнувшей галактикой-спутником под названием Гайя-Энцелад.
«Телескоп горизонта событий (EHT) предоставил прямые изображения сверхмассивной черной дыры Sgr A* в центре Млечного Пути, указывающие на то, что она, вероятно, быстро вращается, а ее ось вращения существенно смещена относительно углового момента галактической плоскости», — пишут авторы в своей статье.
Пара исследователей использовала компьютерное моделирование для моделирования того, какое влияние слияние окажет на черную дыру Млечного Пути. «Благодаря исследованию различных моделей роста сверхмассивных чёрных дыр мы показываем, что предполагаемые спиновые свойства Sgr A* свидетельствуют о прошлом слиянии сверхмассивных чёрных дыр», — пишут авторы.
Их работа показывает, что слияние с соотношением масс 4:1 и сильно наклоненной орбитальной конфигурацией может объяснить то, что показывают наблюдения EHT Sgr A*. «Вдохновленные слиянием Млечного Пути и Гайи-Энцелада, которое имеет соотношение масс 4:1, как следует из данных Gaia, мы обнаружили, что крупное слияние 4:1 сверхмассивных чёрных дыр с углом наклона бинарного углового момента 145-180 градусов относительно линии визирования (LOS) может успешно воспроизвести измеренные спиновые свойства Sgr A*», — объясняют авторы в своей работе.
«Это слияние, вероятно, произошло около 9 миллиардов лет назад, после слияния Млечного Пути с галактикой Гея-Энцелад», — сказал Чжан, выдающийся профессор физики и астрономии в UNLV и директор-основатель Невадского центра астрофизики. «Это событие не только подтверждает теорию иерархического слияния черных дыр, но и дает представление о динамической истории нашей галактики».
«Это открытие прокладывает путь к нашему пониманию того, как растут и развиваются сверхмассивные черные дыры», — сказал ведущий автор Ван в пресс-релизе. «Неправильно выровненный высокий спин Sgr A* указывает на то, что он мог слиться с другой черной дырой, резко изменив амплитуду и ориентацию своего спина».
«Это событие слияния в нашей галактике дает потенциальное наблюдательное подтверждение теории иерархических слияний ЧД в формировании и росте СМЧД», — пишут авторы в своем заключении.
Когда галактики сливаются, сливаются и их центральные черные дыры. Хотя это было в основном теоретическим, обсерватории гравитационных волн обнаруживают все большее количество слияний черных дыр. Однако из-за диапазона частот наших обсерваторий они обнаружили только слияния черных дыр звездной массы. Слияния сверхмассивных черных дыр будут производить гораздо более низкие частоты гравитационных волн, которые находятся за пределами диапазона таких детекторов, как LIGO/Virgo/KAGRA. Детекторы системы расположены слишком близко друг к другу, чтобы обнаружить более низкие частоты.
Авторы также указывают на показатели слияния сверхмассивных чёрных дыр, полученные в других симуляциях, таких как симуляции тысячелетия, которые предполагают, что в наблюдаемой Вселенной их может быть сотни или тысячи каждый год. «Выведенная скорость слияния, согласующаяся с теоретическими предсказаниями, предполагает многообещающую скорость обнаружения слияний сверхмассивных чёрных дыр для космических детекторов гравитационных волн, которые, как ожидается, начнут работать в 2030-х годах».
Планируется построить объекты, которые смогут обнаружить эти более низкие частоты слияния сверхмассивных чёрных дыр. ЕКА и НАСА планируют миссию под названием LISA (Laser Interferometer Space Antenna), которая сможет обнаружить эти волны. LISA будет состоять из трёх космических аппаратов, работающих вместе как интерферометр. Каждый космический аппарат будет иметь длину 2,5 млн км.
SMBH являются одними из самых загадочных объектов во Вселенной и их изучение устрашает. Однако даже при отсутствии каких-либо гравитационно-волновых свидетельств слияний SMBH это исследование помогает подготовить почву для углубления нашего понимания этих слияний, когда они происходят.
