|
У некоторых черных дыр есть спутники
|
|
|
|
В центре каждой галактики есть сверхмассивная черная дыра, так же как в каждом яйце есть желток. Но иногда куры несут яйца с двумя желтками. Аналогичным образом, астрофизики вроде нас, изучающие сверхмассивные черные дыры, ожидают обнаружить двойные системы — две сверхмассивные черные дыры, вращающиеся друг вокруг друга, — в сердцевинах некоторых галактик.
|
|
|
|
Черные дыры - это области пространства, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может вырваться за пределы их окрестностей. Они образуются, когда ядро массивной звезды сжимается само на себя, и действуют как космические пылесосы. Масса сверхмассивных черных дыр в миллион раз превышает массу нашего Солнца или даже больше. Такие ученые, как мы, изучают их, чтобы понять, как работает гравитация и как образуются галактики.
|
|
|
|
Выяснить, есть ли в центре галактики одна или две черные дыры, не так просто, как разбить яйцо и изучить желток. Но измерение частоты образования этих двойных сверхмассивных черных дыр может помочь исследователям понять, что происходит с галактиками при их слиянии.
|
|
|
|
В новом исследовании наша команда проанализировала исторические астрономические данные за более чем столетнюю историю. Мы искали свет, излучаемый одной галактикой, в которой были обнаружены признаки наличия двойной системы сверхмассивных черных дыр.
|
|
|
|
|
|
|
Столкновения галактик и гравитационные волны
|
|
|
|
Галактикам, подобным Млечному Пути, почти столько же лет, сколько и Вселенной. 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, находясь достаточно близко, могут образовывать пару, связанную гравитацией. Эта пара может просуществовать до сотен миллионов лет, прежде чем две черные дыры в конечном итоге сольются в одну.
|
|
|
|
Двойные черные дыры выделяют энергию в виде гравитационных волн — пульсаций в пространстве-времени, которые могут обнаружить специализированные обсерватории. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, эти пульсации распространяются со скоростью света, заставляя само пространство растягиваться и сжиматься вокруг них, подобно волне.
|
|
|
|
В системах синхронизации пульсаров используются пульсары, которые представляют собой плотные, яркие ядра коллапсировавших звезд. Пульсары вращаются очень быстро. Исследователи могут искать пробелы и аномалии в структуре радиоволн, излучаемых этими вращающимися пульсарами, для обнаружения гравитационных волн.
|
|
|
|
Хотя временные матрицы пульсаров могут регистрировать коллективный гравитационно-волновой сигнал от ансамбля двойных систем в течение последних 9 миллиардов лет, они еще недостаточно чувствительны, чтобы обнаружить гравитационно-волновой сигнал от одной двойной системы в одной галактике. И даже самые мощные телескопы не могут получить прямое изображение этих двойных черных дыр. Поэтому астрономам приходится использовать хитроумные косвенные методы, чтобы выяснить, есть ли в центре галактики двойная сверхмассивная черная дыра.
|
|
Поиск признаков двойных черных дыр
|
|
|
|
Один из косвенных методов заключается в поиске периодических сигналов из центров активных галактик. Это галактики, которые излучают значительно больше энергии, чем можно было бы ожидать, учитывая количество звезд, газа и пыли, которые они содержат.
|
|
|
|
Эти галактики излучают энергию из своего ядра, или центра, называемого активным ядром галактики. В процессе, называемом аккрецией, черная дыра в каждой активной галактике использует гравитацию, чтобы втягивать близлежащий газ внутрь. Газ ускоряется по мере приближения к горизонту событий черной дыры — подобно тому, как вода, окружающая водоворот, движется все быстрее и быстрее по мере закручивания спирали внутрь.
|
|
|
|
Когда газ нагревается, он ярко светится в оптическом, ультрафиолетовом и рентгеновском излучениях. Активные ядра галактик являются одними из самых ярких объектов во Вселенной.
|
|
|
|
Некоторые активные ядра галактик могут испускать струи, представляющие собой пучки частиц, ускоряющиеся почти до скорости света. Когда эти струи попадают в поле зрения наших обсерваторий, они кажутся чрезвычайно яркими. Они похожи на космические маяки.
|
|
|
|
Некоторые активные ядра галактик испускают периодические световые сигналы, которые становятся яркими, затухают и затем снова становятся яркими. Этот уникальный сигнал может исходить от циклического движения двух сверхмассивных черных дыр внутри галактики, и это наводит астрономов на мысль поискать систему двойных черных дыр в этой галактике.
|
|
|
|
В поисках двойной системы черных дыр
|
|
|
|
Наша команда изучила одно из таких активных галактических ядер, получившее название PG 1553+153. Свет от этого объекта становится ярче и тусклее примерно каждые 2,2 года.
|
|
|
|
Эти периодические изменения предполагают, что внутри PG 1553+153 находится двойная сверхмассивная черная дыра. Но наличие двойной системы - не единственное объяснение этих изменений. Другие явления, такие как колеблющиеся струи или изменения в потоке вещества вокруг черной дыры, также могли бы объяснить эту закономерность без присутствия двойной черной дыры, поэтому мы должны были исключить их.
|
|
|
|
Чтобы понять, происходит ли излучение системы PG 1553+153 от двойной черной дыры, мы смоделировали, как двойные сверхмассивные черные дыры собирают газ. Наши модели показали, что иногда, когда черные дыры втягивают газ, вокруг внешней стороны дыры собираются плотные сгустки газа.
|
|
|
|
Мы подсчитали, что время, необходимое этим скоплениям для обращения вокруг двух черных дыр, должно быть в пять-10 раз больше, чем время, необходимое двум черным дырам для обращения вокруг друг друга.
|
|
|
|
Итак, у нас наконец-то был четкий прогноз, который мы могли проверить. Если система двойных черных дыр вызвала периодические колебания PG 1553+153 продолжительностью 2,2 года, то мы также должны иметь возможность наблюдать более длительную картину изменений, примерно каждые 10-20 лет, когда скопления газа вращаются вокруг черных дыр.
|
|
|
|
Но чтобы понять, действительно ли это закономерность, нам нужно было проследить, как она повторяется в течение четырех-пяти циклов. Для страниц 1553+153 это составило бы от 40 до 100 лет.
|
|
|
|
Астрономы наблюдали за небом сотни лет. Но эра цифровой астрономии, когда астрономические изображения записываются на компьютеры и сохраняются в базах данных, наступила совсем недавно — 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. Во многих обсерваториях по всему миру имеются фотографические изображения ночного неба, сделанные более ста лет назад. До этого астрономы делали наброски того, как выглядело небо, в своих записных книжках.
|
|
|
|
Такие проекты, как DASCH, Digital Access to a Sky Century в Гарварде, начали оцифровывать фотопластинки из нескольких обсерваторий, чтобы сделать их доступными как для ученых, так и для неспециалистов.
|
|
|
|
Наша команда выяснила, что база данных DASCH содержит данные о PG 1553+153, датируемые 1900 годом, то есть более чем 120 годами. Мы использовали этот набор данных, чтобы выяснить, можно ли увидеть закономерность, повторяющуюся каждые 10-20 лет.
|
|
|
|
К нашему некоторому удивлению, мы обнаружили 20-летнюю закономерность, которая подтверждает нашу теорию о том, что в основе PG 1553+153 лежит бинарная система. Обнаружение этой второй закономерности также помогло нам выяснить, что массы двух сверхмассивных черных дыр находятся в соотношении 2,5:1 — одна из них в 2 с половиной раза больше другой — и что их орбита почти круглая.
|
|
|
|
Хотя эти исторические данные укрепляют нашу уверенность в том, что в PG 1553+153 есть две сверхмассивные черные дыры, мы все еще не можем сказать наверняка. Для окончательного подтверждения, возможно, потребуется подождать, пока временные матрицы пульсаров не станут достаточно чувствительными, чтобы обнаруживать гравитационные волны, исходящие от PG 1553+153.
|
|
|
|
Источник
|
