Изображение предоставлено: Pixabay/CC0 Public Domain
В центре каждой галактики есть сверхмассивная черная дыра, подобно тому, как у каждого яйца есть желток. Но иногда куры несут яйца с двумя желтками. Точно так же астрофизики вроде нас, изучающие сверхмассивные черные дыры, ожидают обнаружить двойные системы – две сверхмассивные черные дыры, вращающиеся вокруг друг друга – в центре некоторых галактик.
Черные дыры — это области космоса, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может покинуть их окружение. Они образуются при коллапсе ядра массивной звезды и действуют как космические пылесосы. Сверхмассивные черные дыры имеют массу, в миллион раз превышающую массу нашего Солнца. Ученые вроде нас изучают их, чтобы понять, как работает гравитация и как формируются галактики.
Выяснить, есть ли в центре галактики одна или две черные дыры, не так просто, как разбить яйцо и изучить желток. Но измерение того, как часто образуются эти двойные сверхмассивные черные дыры, может помочь исследователям понять, что происходит с галактиками, когда они сливаются.
В новом исследовании наша команда изучила исторические астрономические данные, датированные более чем столетней давностью. Мы искали свет, излучаемый галактикой, которая имела признаки наличия двойной системы сверхмассивных черных дыр.
Галактические столкновения и гравитационные волны
Галактики, подобные Млечному Пути, почти так же стары, как и Вселенная. Иногда они сталкиваются с другими галактиками, что может привести к слиянию галактик и образованию более крупной и массивной галактики.
Две черные дыры в центре двух сливающихся галактик могут, если находятся достаточно близко, образовать пару, связанную гравитацией. Эта пара может жить до сотен миллионов лет, прежде чем две черные дыры в конечном итоге сольются в одну.
Двойные черные дыры выделяют энергию в виде гравитационных волн — ряби в пространстве-времени, которую могут обнаружить специализированные обсерватории. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, эти волны движутся со скоростью света и заставляют пространство вокруг себя расширяться и сжиматься, подобно волне.
Массивы синхронизации пульсаров используют пульсары — плотные яркие ядра коллапсирующих звезд. Пульсары вращаются очень быстро. Исследователи могут искать пробелы и аномалии в характере радиоволн, излучаемых этими вращающимися пульсарами, чтобы обнаружить гравитационные волны.
Хотя массивы синхронизации пульсаров могут обнаружить коллективный сигнал гравитационных волн ансамбля двойных звездных систем за последние 9 миллиардов лет, они еще недостаточно чувствительны, чтобы обнаружить сигнал гравитационных волн одной двойной звездной системы в галактике. И даже самые мощные телескопы не могут напрямую отобразить эти двойные черные дыры. Поэтому астрономам приходится использовать хитрые косвенные методы, чтобы выяснить, есть ли в центре галактики двойная сверхмассивная черная дыра.
В поисках признаков двойных черных дыр
Один из видов косвенного метода — поиск периодических сигналов из центров активных галактик. Это галактики, которые излучают значительно больше энергии, чем ожидали бы астрономы, учитывая количество содержащихся в них звезд, газа и пыли.
Эти галактики излучают энергию из своего ядра или центра – так называемого активного галактического ядра. В процессе, называемом аккрецией, черная дыра в любой активной галактике использует гравитацию, чтобы притягивать близлежащий газ внутрь. Газ ускоряется по мере приближения к горизонту событий черной дыры — точно так же, как вода, окружающая вихрь, движется все быстрее и быстрее по спирали внутрь.
Когда газ нагревается, он ярко светится в оптическом, ультрафиолетовом и рентгеновском свете. Активные ядра галактик являются одними из самых ярких объектов во Вселенной.
Некоторые активные ядра галактик могут испускать струи — пучки частиц, ускоренные почти до скорости света. Когда эти струи попадают в поле зрения наших обсерваторий, они кажутся чрезвычайно яркими. Они подобны космическим маякам.
Некоторые активные ядра галактик имеют периодические световые сигналы, которые становятся яркими, тускнеют, а затем снова становятся яркими. Этот уникальный сигнал может исходить от циклического движения двух сверхмассивных черных дыр внутри и предполагает, что астрономам следует искать двойную систему черных дыр в этой галактике.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.
В поисках двойной системы черных дыр
Наша команда изучила одно такое активное ядро галактики, названное PG 1553+153. Свет от этого объекта становится ярче и тускнеет примерно каждые 2,2 года.
Эти периодические колебания позволяют предположить, что в PG 1553+153 существует сверхмассивная двойная черная дыра. Но двоичный код — не единственное объяснение этой вариации. Другие явления, такие как шаткие струи или изменения в потоке материала вокруг черной дыры, могли бы объяснить эту закономерность даже без присутствия двойной черной дыры, поэтому нам пришлось их исключить.
Чтобы понять, происходят ли диаграммы светового излучения системы PG 1553+153 от двойной черной дыры, мы смоделировали, как двойные сверхмассивные черные дыры собирают газ. Наши модели предполагают, что иногда, когда черные дыры всасывают газ, вокруг внешней части дыры скапливаются плотные сгустки газа.
Мы подсчитали, что время, необходимое этим сгусткам для обращения вокруг двух черных дыр, должно быть в пять-десять раз больше, чем время, необходимое двум черным дырам для обращения вокруг друг друга.
Итак, у нас наконец-то появилось четкое предсказание, которое мы могли проверить. Если двойная система черных дыр вызывает 2,2-летние периодические изменения в PG 1553+153, то мы также сможем увидеть более длительную картину изменений, примерно каждые 10–20 лет, когда сгустки газа вокруг черных дыр орбита.
Но чтобы убедиться, что это действительно закономерность, нам пришлось наблюдать, как она повторяется в течение четырех-пяти циклов. Для PG 1553+153 это будет от 40 до 100 лет.
Астрономы наблюдают за небом уже сотни лет. Но эра цифровой астрономии, в которой астрономические изображения записываются на компьютеры и сохраняются в базах данных, еще очень молода – примерно с 2000 года.
До этого, примерно с 1850 года, астрономы записывали изображения неба на фотопластинки. Это плоские кусочки стекла, покрытые светочувствительным химическим слоем, традиционно используемым в фотографии. Многие обсерватории по всему миру имеют фотографические изображения ночного неба, которым более ста лет. Раньше астрономы зарисовывали в своих блокнотах, как выглядит небо.
Такие проекты, как DASCH, «Цифровой доступ к веку неба» в Гарварде, начали оцифровывать фотопластинки из некоторых обсерваторий, чтобы сделать их доступными как для ученых, так и для неученых.
Наша команда узнала, что в базе данных DASCH имеются данные о PG 1553+153, датированные 1900 годом — то есть более 120 лет. Мы использовали этот набор данных, чтобы посмотреть, сможем ли мы выявить закономерность, которая повторяется каждые 10–20 лет.
К нашему удивлению, мы обнаружили 20-летнюю закономерность, которая является дополнительным доказательством нашей теории о том, что в ядре PG 1553+153 существует бинарная система. Открытие этой второй закономерности также помогло нам обнаружить, что массы двух сверхмассивных черных дыр находятся в соотношении 2,5:1 (одна в два с половиной раза больше другой) и что их орбиты почти круговые.
Хотя эти исторические данные вселяют в нас большую уверенность в том, что в PG 1553+153 есть две сверхмассивные черные дыры, мы все же не можем сказать наверняка. Окончательное подтверждение, возможно, придется подождать, пока массивы синхронизации пульсаров не станут достаточно чувствительными, чтобы обнаружить гравитационные волны от PG 1553+153.
Информация от: Разговором
