Астрономы обнаружили признаки того, что в центре галактики Mrk 501 находятся две сверхмассивные черные дыры, которые обращаются друг вокруг друга с периодом около 121 дня. По расчетам исследователей, расстояние между ними настолько мало, что в зависимости от их масс они могут слиться в единый объект всего через столетие. Если систему удастся подтвердить независимыми наблюдениями, она поможет ученым разобраться, как растут черные дыры и что происходит на заключительном этапе их сближения, рассказывает Sciencedaily.

Вторую черную дыру выдал необычный джет

В центрах большинства крупных галактик, как считают астрономы, находятся сверхмассивные черные дыры массой в миллионы и даже миллиарды Солнц. Они растут, поглощая окружающее вещество, однако одного этого механизма может быть недостаточно, чтобы объяснить размеры самых массивных объектов. Еще один возможный путь — слияние черных дыр при столкновении галактик.

Такие столкновения происходят во Вселенной регулярно. Согласно теоретическим моделям, после объединения галактик их центральные черные дыры постепенно сближаются, начинают вращаться вокруг общего центра масс и в конечном итоге сливаются. Однако надежно обнаружить пары сверхмассивных черных дыр на заключительном этапе сближения до сих пор было крайне сложно.

Международная команда под руководством Зильке Бритцен из Института радиоастрономии Общества Макса Планка в Бонне изучила галактику Mrk 501, известную мощным потоком частиц — джетом, который выбрасывается из окрестностей ее центральной черной дыры почти со скоростью света.

Исследователи проанализировали радионаблюдения на разных частотах, собранные в течение примерно 23 лет. В данных обнаружился второй джет, движение которого также удалось проследить. Это стало свидетельством возможного присутствия еще одной сверхмассивной черной дыры.

Сами черные дыры расположены слишком близко друг к другу, чтобы современные телескопы могли различить их по отдельности. Но поведение джетов позволяет судить о движении скрытой системы.

Два джета движутся по необычной траектории

Первый джет направлен почти в сторону Земли, поэтому выглядит особенно ярким. Второй ориентирован иначе, что отчасти объясняет, почему его не удавалось обнаружить раньше.

При наблюдениях на протяжении нескольких недель астрономы заметили резкие изменения положения второго джета. Казалось, что он появляется из-за более яркого джета и затем движется против часовой стрелки вокруг него. Повторяемость этих изменений указывает на регулярное движение всей системы.

По словам Бритцен, наблюдать за происходящим было похоже на пребывание на корабле, где движется весь окружающий пейзаж. Модель с двумя черными дырами объясняет это тем, что орбитальная плоскость системы периодически меняет ориентацию.

Дополнительную подсказку ученые получили в июне 2022 года: излучение системы на некоторое время приобрело форму кольца. Исследователи предполагают, что это могло быть связано с гравитационным линзированием. Если две черные дыры и Земля оказались почти на одной линии, гравитация переднего объекта могла искривить свет от расположенного за ним джета, создав кольцеобразное изображение.

Это объяснение пока остается гипотезой, но оно согласуется с возможной геометрией системы.

Орбита длится всего 121 день

По изменениям джетов и повторяющимся колебаниям яркости команда оценила период обращения черных дыр друг вокруг друга примерно в 121 день.

Расстояние между ними, согласно расчетам, составляет всего 250–540 расстояний от Земли до Солнца. Для обычных астрономических объектов это огромное расстояние, но для черных дыр массой от 100 млн до 1 млрд солнечных масс оно чрезвычайно мало.

При такой конфигурации орбита может быстро сокращаться из-за потери энергии на излучение гравитационных волн. Поэтому, если оценки масс и параметров системы верны, черные дыры могут слиться всего через 100 лет.

Для астрономии это необычайно короткий срок. Впрочем, речь идет о прогнозе, основанном на наблюдениях и моделях, а не о точно установленной дате столкновения. Реальный срок зависит от характеристик черных дыр и дальнейшей динамики их движения.

Гравитационные волны помогут проверить гипотезу

Непосредственно увидеть обе черные дыры по отдельности пока невозможно. Даже телескоп Event Horizon Telescope, получивший первые изображения черных дыр в 2019 и 2022 годах, не обладает достаточным разрешением для наблюдения этой пары как двух отдельных объектов.

Но проверить гипотезу можно другим способом — с помощью гравитационных волн. Когда массивные тела вращаются друг вокруг друга, они создают возмущения пространства-времени, которые распространяются по Вселенной.

Для пары в Mrk 501 ожидается сигнал очень низкой частоты. Его потенциально способны обнаружить пульсарные тайминговые массивы — системы наблюдений, в которых ученые отслеживают время прихода радиосигналов от быстро вращающихся нейтронных звезд, или пульсаров. Малейшие изменения в этих сигналах могут указывать на прохождение гравитационных волн.

В 2023 году несколько международных исследовательских объединений, включая Европейский пульсарный тайминговый массив, сообщили о свидетельствах существования общего фона таких волн. Одним из главных предполагаемых источников этого фона считаются многочисленные пары сверхмассивных черных дыр в далеких галактиках.

Если удастся связать конкретный гравитационно-волновой сигнал с Mrk 501, астрономы получат возможность изучать отдельную систему, а не только суммарный эффект от множества удаленных источников. Изменение частоты сигнала со временем также может помочь выяснить, действительно ли черные дыры постепенно сближаются.

Результаты исследования приняты к публикации в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Пока ученым предстоит подтвердить, что второй джет действительно связан со второй черной дырой. Если гипотеза выдержит дальнейшие проверки, Mrk 501 может стать уникальной лабораторией для изучения того, как сверхмассивные черные дыры подходят к своему финальному слиянию.