Обнаружена рекордно тесная пара сверхмассивных чёрных дыр

Объект LGGS J004527.30 + 413254.3 (J0045+41 для краткости), который астрономы ранее считали частью туманности Андромеды, оказался самой тесной за всю историю наблюдений парой сверхмассивных чёрных дыр. 

Открытие сделала научная группа из Вашингтонского университета: Тревор Дорн-Валленштейн (Trevor Dorn-Wallenstein), Эмили Левеск (Emily Levesque) и Джон Руан (John Ruan). Научная статья с результатами исследования принята к публикации в издании Astrophysical Journal, пока же с ней можно ознакомиться на сайте препринтов arXiv.org.

Чёрная дыра называется сверхмассивной, если превосходит по массе Солнце в сотни тысяч раз и более. Такие объекты наблюдаются благодаря излучению падающего на них вещества. Они найдены в центре многих галактик, включая нашу собственную.

Довольно редко удаётся обнаружить пару сверхмассивных чёрных дыр, обращающихся вокруг общего центра масс. Система, об открытии которой сообщили американские астрономы, оказалась рекордно тесной, то есть расстояние между двумя компонентами пары необычно мало.

Туманность Андромеды, она же М31, – большая и красивая спиральная галактика, расположенная примерно в 2,5 миллиона световых лет от Земли. Объект J0045+41 ранее считался двойной звездой с периодом обращения 80 дней, который входил в состав этой галактики. Двойная звезда – это система из двух светил, вращающихся вокруг общего центра масс.

Но группа из Вашингтонского университета, используя данные орбитальной рентгеновской обсерватории Chandra, обнаружила, что небесное тело испускает мощный поток рентгеновских лучей. Звёзды, даже двойные, так себя не ведут. Возникло предположение, что один из компонентов системы является нейтронной звездой или чёрной дырой, на которую падает вещество компаньона. Такой процесс специалисты называют аккрецией. Разгоняясь и разогреваясь в ходе перетягивания, такое вещество будет служить источником "X-лучей".

Однако наблюдения объекта в оптический телескоп Gemini-North на Гавайях опровергли эту версию. Полученный спектр позволил определить красное смещение объекта, а значит, и расстояние до него. Оказалось, что оно составляет 2,6 миллиарда световых лет, то есть в тысячу с лишним раз превышает дистанцию до туманности Андромеды.

Никакие системы из звёзд и чёрных дыр звёздной массы нельзя разглядеть с такой дистанции. Вот так в астрономии можно изменить взгляд на природу объекта, просто измерив расстояние до него.

Спектр объекта также указал на то, что он всё-таки двойной. В нём есть два компонента, которые движутся относительно друг друга с немалой скоростью в 4800 километров в секунду. Астрономы поняли это, использовав эффект Доплера.



Учёные использовали оптический телескоп проекта Palomar Transient Factory в Калифорнии, чтобы подробно исследовать, как меняется его блеск со временем. Они обнаружили, что яркость меняется по сложному закону, включающему несколько колебаний с разными периодами, в том числе 80 и 320 дней. Наличие двух периодов, относящихся друг к другу как 1:4, важно: именно такой результат предсказан теоретически для пары сверхмассивных чёрных дыр.

"Впервые найдены такие убедительные доказательства того, что перед нами пара вращающихся гигантских чёрных дыр", – приводит слова Эмили Левеск пресс-релиз исследования.


Такие пары, вероятно, образуются при столкновении галактик, каждая из которых имеет в центре чёрную дыру. Хотя нельзя исключать, что подобный дуэт может возникнуть и без космических "ДТП ". Процессы образования сверхмассивных чёрных дыр астрономам пока ещё до конца не известны.

Объект J0045+41 оказался рекордным не только по надёжности, с которой его можно идентифицировать именно как такую пару. Тандем оказался ещё и рекордно тесным: дистанция между компонентами – менее сотой части светового года.

Такие близкие отношения чреваты катастрофой. Чёрные дыры теряют энергию на излучение гравитационных волн, ещё сильнее сближаются, теряют ещё больше энергии и так далее. Из этого порочного круга нет выхода, кроме столкновения.

Астрономы затрудняются сказать, когда оно произойдёт. Хотя они оценили суммарную массу двух компонентов (200 миллионов солнечных), неизвестно, какая её доля приходится на каждого из партнёров. Поэтому трудно сказать, сколько им осталось кружить до слияния в единое целое. Можно лишь обозначить диапазон возможных значений: от 350 лет до 360 тысячелетий.

Это столкновение, разумеется, тоже породит гравитационные волны. К сожалению, нынешние детекторы не способны фиксировать такие события: период волн (промежуток времени между двумя колебаниями) будет слишком большим.