На протяжении десятилетий астрономы знали, что сверхмассивные черные дыры (SMBH) находятся в центре большинства массивных галактик. Эти черные дыры, насчитывающие от сотен тысяч до миллиардов солнечных масс, оказывают мощное влияние на окружающую материю и, как полагают, являются причиной активных галактических ядер (АЯГ). Поскольку астрономы знали о них, они стремились понять, как формируются и развиваются SMBH.
В двух недавно опубликованных исследованиях две международные группы исследователей сообщают об обнаружении пяти недавно открытых пар чёрных дыр в центрах далеких галактик. Это открытие могло бы помочь астрономам пролить новый свет на то, как SMBH образуются и растут со временем, не говоря уже о том, как слияния черных дыр производят самые сильные гравитационные волны во Вселенной.
О первых четырех кандидатах в двойные черные дыры сообщили в исследовании под названием «Погребенные AGN в расширенных слияниях: выбор цвета в середине инфракрасного диапазона в качестве двойного искателя AGN», которым руководил Шобита Сатьяпал, профессор астрофизики в университете Джорджа Мейсона. Это исследование было принято для публикации в Астрофизический Журнал и недавно появился в сети.
Второе исследование, в котором сообщалось о пятом кандидате в двойные черные дыры, было проведено Сарой Эллисон - профессором астрофизики в Университете Виктории. Это было недавно опубликовано в Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества под названием «Открытие двойного активного галактического ядра с разделением ~ 8 кпк». Обнаружение этих пяти пар чёрных дыр было очень случайным, учитывая, что пары - очень редкая находка.
Как объяснил Шобита Сатьяпал в заявлении для прессы Чандры:
«Астрономы находят одиночные сверхмассивные черные дыры по всей вселенной. Но даже если мы предсказали, что они быстро растут, когда они взаимодействуют, трудно найти растущие двойные сверхмассивные черные дыры.“
Пары черных дыр были обнаружены путем объединения данных из ряда различных наземных и космических приборов. Это включало в себя оптические данные из Слоунского цифрового обзора неба (SDSS) и наземного Большого бинокулярного телескопа (LBT) в Аризоне с данными ближнего инфракрасного диапазона из Широкополосного обозревателя инфракрасных исследований (WISE) и рентгеновские данные от Chandra НАСА. Рентгеновская обсерватория.
Ради своих исследований Сатьяпал, Эллисон и их команды пытались обнаружить двойные AGN, которые, как полагают, являются следствием галактических слияний. Они начали с обращения к оптическим данным из SDSS, чтобы определить галактики, которые оказались в процессе слияния. Данные опроса WISE всего неба затем использовались для идентификации тех галактик, которые показали самые мощные AGN.
Затем они сверились с данными усовершенствованного спектрометра CCD Imaging Chandra (ACIS) и LBT, чтобы определить семь галактик, которые оказались в продвинутой стадии слияния. Исследование, проведенное Эллисоном, также основывалось на оптических данных, полученных в результате исследования карт близлежащих галактик в обсерватории Апач-Пойнт (MaNGA), для определения одной из новых пар чёрных дыр.
Исходя из объединенных данных, они обнаружили, что пять из семи сливающихся галактик содержали возможные двойные AGN, которые были разделены менее чем на 10 килопарсек (более 30 000 световых лет). Об этом свидетельствуют инфракрасные данные, предоставленные WISE, что согласуется с тем, что предсказывается в отношении быстрорастущих сверхмассивных черных дыр.
Кроме того, данные Чандры показали близко расположенные пары источников рентгеновского излучения, что также согласуется с черными дырами, у которых на них медленно нарастает вещество. Эти инфракрасные и рентгеновские данные также свидетельствуют о том, что сверхмассивные черные дыры погребены в большом количестве пыли и газа. Как указал Эллисон, эти результаты были результатом кропотливой работы, которая заключалась в сортировке данных на нескольких длинах волн:
«Наша работа показывает, что сочетание инфракрасного отбора с последующим рентгеновским контролем - очень эффективный способ найти эти пары черных дыр. Рентгеновское и инфракрасное излучение способны проникать сквозь затуманивающиеся облака газа и пыли, окружающие эти пары черных дыр, и для их разделения необходимо четкое зрение Чандры ».
Перед этим исследованием было подтверждено менее десяти пар растущих черных дыр на основе рентгеновских исследований, и это было в основном случайно. Эта последняя работа, которая обнаружила пять пар чёрных дыр с использованием объединенных данных, была, таким образом, удачной и значимой. Помимо поддержки гипотезы о том, что сверхмассивные черные дыры образуются в результате слияния более мелких черных дыр, эти исследования также имеют серьезные последствия для исследования гравитационных волн.
«Важно понять, насколько распространены пары сверхмассивных черных дыр, чтобы помочь в прогнозировании сигналов для обсерваторий гравитационных волн», - сказал Сатьяпа. «С экспериментами, которые уже проводятся, и будущими, которые появятся в сети, это захватывающее время для исследования слияния черных дыр. Мы находимся на ранней стадии новой эры в изучении Вселенной ».
С 2016 года такими приборами, как лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) и обсерватория VIRGO, было обнаружено всего четыре экземпляра гравитационных волн. Тем не менее, эти обнаружения были результатом слияния черных дыр, где черные дыры были все меньше и менее массивными - от восьми до 36 масс Солнца.
Сверхмассивные черные дыры, с другой стороны, гораздо более массивны и, вероятно, будут производить гораздо большую сигнатуру гравитационной волны, поскольку они продолжают сближаться. И через несколько сотен миллионов лет, когда эти пары в конечном итоге сливаются, полученная энергия, превращаемая массой в преобразование в гравитационные волны, будет невероятной.
В настоящее время такие детекторы, как LIGO и Virgo, не способны обнаруживать гравитационные волны, создаваемые парами сверхмассивной черной дыры. Эта работа выполняется такими массивами, как Североамериканская обсерватория наногерц для гравитационных волн (NANOGrav), которая использует высокоточные миллисекундные пульсары для измерения влияния гравитационных волн на пространство-время.
Предполагается, что предлагаемая лазерная интерферометрическая космическая антенна (LISA), которая будет первым специализированным космическим детектором гравитационных волн, также должна помочь в поиске. Между тем, исследования гравитационных волн уже получили огромную пользу от совместных усилий, подобных тем, которые существуют между Advanced LIGO и Advanced Virgo.
В будущем ученые также ожидают, что они смогут изучать внутренности сверхновых с помощью исследований гравитационных волн. Это может многое рассказать о механизмах формирования черной дыры. Между всеми этими текущими усилиями и будущими разработками, мы можем ожидать, что «услышим» гораздо больше о Вселенной и о наиболее мощных силах, действующих в ней.
Обязательно посмотрите эту анимацию, которая показывает, как будет выглядеть возможное слияние двух из этих пар чёрных дыр, благодаря рентгеновской обсерватории Чандра:
