Почти каждая массивная галактика имеет в центре сверхмассивную черную дыру. Когда две галактики сливаются, их черные дыры могут образовывать бинарную пару, то есть находиться на связанной орбите друг с другом. Существует гипотеза, что этим бинарам суждено в конце концов слиться, но это никогда не наблюдалось. Вопрос о том, возможно ли такое, обсуждается астрономами уже несколько десятилетий. В статье журнала The Astrophysical Journal группа астрономов отвечает на этот вопрос, сообщает научно-исследовательский центр NOIRlab.
Команда использовала данные телескопа Gemini North для анализа бинарной сверхмассивной черной дыры, расположенной внутри эллиптической галактики B2 0402+379. Это единственная двойная сверхмассивная черная дыра, рассмотренная подробно, чтобы увидеть оба объекта по отдельности. Также она является рекордсменом по наименьшему расстоянию между дырами – всего 24 световых года. Хотя такое близкое разделение предвещает мощное слияние, изучение показало, что пара находится на таком расстоянии уже более 3 миллиардов лет, что заставляет задаться вопросом: что же ее задерживает?
Чтобы лучше понять динамику этой системы и остановившееся слияние, команда обратилась к архивным данным многообъектного спектрографа Gemini North (GMOS), которые позволили определить скорость звезд в окрестностях черных дыр. «Превосходная чувствительность GMOS позволила нам составить карту возрастающих скоростей звезд по мере приближения к центру галактики. Благодаря этому мы смогли определить общую массу черных дыр», – говорит Роджер Романи, профессор физики Стэнфордского университета и соавтор статьи.
По оценкам команды, масса бинарной черной дыры в 28 миллиардов раз больше массы Солнца, что позволяет считать эту пару самой тяжелой из когда-либо измеренных бинарных черных дыр. Это значение не только дает ценный контекст для формирования бинарной системы и истории ее галактики-хозяина, но и подтверждает теорию о том, что масса сверхмассивной бинарной черной дыры играет ключевую роль в сдерживании потенциального слияния.
Понимание того, как сформировалась эта дыра, поможет предсказать, произойдет ли ее слияние и когда – несколько подсказок указывают на то, что эта пара образовалась в результате нескольких слияний галактик. Во-первых, B2 0402+379 – это «ископаемое скопление», то есть результат слияния галактического скопления звезд и газа в одну массивную галактику. Кроме того, наличие двух сверхмассивных черных дыр, а также их большая суммарная масса позволяют предположить, что они образовались в результате слияния множества более мелких черных дыр из нескольких галактик.
После слияния галактик сверхмассивные черные дыры не сталкиваются лоб в лоб. Вместо этого они начинают проноситься мимо друг друга, выстраиваясь на связанной орбите. При каждом пролете энергия передается от черных дыр к окружающим звездам. Теряя энергию, пара притягивается все ближе и ближе, пока не окажется на расстоянии светового года друг от друга, где гравитационное излучение берет верх, и они сливаются. Этот процесс уже наблюдался непосредственно в парах черных дыр звездной массы – первый зарегистрированный случай произошел в 2015 году благодаря обнаружению гравитационных волн, – но никогда не наблюдался в бинарных системах сверхмассивного типа.
Получив новые сведения, команда пришла к выводу, что для такого сближения потребовалось бы исключительно большое количество звезд, чтобы замедлить орбиту двойника. При этом черные дыры, похоже, выбросили почти всю материю, находящуюся в окрестностях, оставив ядро галактики без звезд и газа. Поскольку больше нет материала, способного замедлить орбиту пары, их слияние остановилось на завершающей стадии.
«Обычно галактики с более легкими парами черных дыр имеют достаточно звезд и массы для быстрого слияния. Поскольку эта пара такая тяжелая, ей потребовалось много звезд и газа, чтобы справиться с задачей. Но эта двойка очистила центральную галактику от материи, оставив ее в застое и доступе для нашего исследования», – говорит Романи.
Удастся ли паре преодолеть стагнацию и в конце концов слиться в течение миллионов лет или же она навсегда останется в орбитальном бездействии, еще предстоит выяснить. Если они сольются, то возникающие гравитационные волны будут в сто миллионов раз мощнее тех, что порождают слияния черных дыр звездной массы. Возможно, пара сможет преодолеть это расстояние благодаря еще одному слиянию галактик, в результате которого в систему попадет дополнительное вещество, а возможно, и третья черная дыра, чтобы замедлить орбиту пары настолько, чтобы она могла слиться. Однако, учитывая статус B2 0402+379 как ископаемого скопления, еще одно галактическое слияние маловероятно.
[Фото: NOIRLab/NSF/AURA/J. daSilva/M. Zamani]