Команда астрономов поймала две сверхмассивные черные дыры в процессе слияния. Это только второй раз, когда мы наблюдаем такое близкое космическое танго, и эта пара еще более тесно вплетенный, чем первый дуэт, предлагает уникальное понимание того, как такие слияния разворачиваются.
Черные дыры, о которых идет речь, находятся на расстоянии около 9 миллиардов световых лет в самом сердце далекой галактики. Когда одна из них поглощает окружающий материал, она создает радиострую, которая, как оказалось, указывает прямо на Землю. Такие объекты, которые мы называем блазарами, изменчивы, обычно вспыхивают и тускнеют случайным образом.
Но член команды Энтони Ридхед (Caltech) заметил что-то необычное с этим конкретным блазаром, PKS 2131-021, еще в 2008 году. “Это менялось не только периодически, но и синусоидально», — говорит Ридхед. Другими словами, изменения его яркости следуют волнообразной схеме, которая повторяется каждые несколько лет.
Если бы этот паттерн был действительно регулярным, а не просто совпадением изменчивости блазара, то он должен был сохраняться с течением времени. Но команде понадобятся десятилетия данных, чтобы подтвердить картину. Поэтому они пошли на траление старых данных в поисках большего.
Сначала самые ранние наблюдения, к которым они могли вернуться, были 1980. Но затем к команде присоединилась студентка Сандра О’Нил (также в Калифорнийском технологическом институте); первоначально химия, она взяла астрономию, чтобы быть занятой во время пандемии.
О’Нил нашел более старые наблюдения из обсерватории Haystack, сделанные между 1975 и 1983 годами. Конечно же, в 1976 году был пик яркости Блазара, как и предполагал синусоидальный волновой паттерн. “Когда мы поняли, что пики и впадины … совпадают … мы знали, что происходит что-то особенное”, — говорит О’Нил. Они опубликовали результаты в Astrophysical Journal Letters.
Причина таких регулярно расположенных пиков яркости не была сразу очевидна, но Роджер Блэндфорд (Стэнфордский университет) взял на себя задачу моделирования базовой физики. Он обнаружил, что наличие второй черной дыры было ключом к объяснению закономерности: яркость реактивных циклов с орбитальным периодом пары. “До того, как Роджер понял это, никто не понял, что двоичная система с релятивистской струей … выглядела так”, — говорит Ридхед.
Синусоидальное изменение яркости предполагает, что две сверхмассивные черные дыры вращаются друг вокруг друга примерно каждые два года на расстоянии, примерно в 50 раз превышающем расстояние между Солнцем и Плутоном. Единственная другая подобная пара, ранее известная астрономам, OJ 287, занимает девять лет, чтобы завершить орбиту.
Кривая блеска БлазараЗдесь представлены три набора радионаблюдений квазара PKS 2131-02, охватывающих 45 лет, с данными из радиообсерватории Оуэнс-Вэлли (OVRO) в синем цвете; Радиоастрономическая обсерватория Мичиганского университета (UMRAO) в коричневом цвете; и обсерватория стога сена в зеленом цвете. Наблюдения соответствуют простой синусоидальной волне, обозначенной синим цветом.
Близкая орбита означает, что черные дыры в сердце PKS 2131-021 должны столкнуться друг с другом примерно через 10 000 лет — астрономическое сердцебиение. В процессе они высвободят огромное количество энергии в виде гравитационных волн, ряби в самой ткани Вселенной.
Гравитационные волны, которые мы до сих пор улавливали на Земле с помощью таких объектов, как LIGO, Virgo и KAGRA, произошли от слияния гораздо меньших черных дыр с массами в десятки-сотни раз больше Солнца. Сверхмассивные черные дыры, связанные с PKS 2131-021, склоняют чашу весов на сотни миллионов солнечных масс и будут производить гравитационные волны с частотами, слишком низкими для таких детекторов. Однако временные массивы пульсаров могут найти такие сигналы.
Давиде Героза (Университет Милана-Бикокка, Италия), который не участвовал в исследовании, взволнован открытием. “Предполагается, что сверхмассивные двойные черные дыры являются общими, но их также так трудно увидеть”, — говорит он. “Прошло много времени с тех пор, как у нас был такой сильный кандидат, и это один из них”.
Член команды Себастьян Келманн (Институт радиоастрономии Макса Планка, Германия) считает, что это только начало. “Наше исследование дает план того, как искать такие двоичные системы Блазара в будущем”, — говорит он.
