Две сверхмассивные черные дыры находятся на самой тесной орбите из всех, что мы видели до сих пор

В сердце галактики в далекой Вселенной происходит танец смерти.

На расстоянии около 10 миллиардов световых лет от нас две сверхмассивные черные дыры заперты на орбите, настолько тесной, что они столкнутся друг с другом и образуют одну гораздо большую черную дыру за относительно короткое время - всего за 10 000 лет.

Это соответствует орбитальному расстоянию всего в 0,03 световых года, что примерно в 50 раз больше среднего расстояния между Солнцем и Плутоном. При этом они движутся так быстро, что для прохождения бинарной орбиты этим двум объектам требуется всего два земных года, в то время как Плутону требуется 248 лет.

Существует множество причин, по которым бинары сверхмассивных черных дыр представляют интерес для астрономов.

Сверхмассивные черные дыры находятся в центрах большинства галактик - ядрах, вокруг которых вращается все остальное. Когда две из них обнаруживаются вместе, это указывает на то, что две галактики объединились.

Мы знаем, что этот процесс происходит, поэтому обнаружение бинарных сверхмассивных черных дыр может рассказать нам о том, как это выглядит на последних стадиях.

Бинарные сверхмассивные черные дыры также могут рассказать нам о том, как эти колоссальные объекты, масса которых в миллионы и миллиарды раз превышает массу Солнца, могут стать такими невероятно массивными.

Бинарные слияния черных дыр - один из способов такого роста. Обнаружение бинарных сверхмассивных черных дыр поможет нам понять, является ли это общим путем для такого роста, что может привести к более точному моделированию.

Объект, о котором идет речь, - квазар, названный PKS 2131-021. Это галактики, в которых галактическое ядро активно; то есть сверхмассивная черная дыра с бешеной скоростью поглощает вещество, пылая от тепла, выделяемого трением и гравитацией в материале, вращающемся вокруг ядра.

Некоторые квазары выбрасывают из полярных областей черной дыры струи плазмы почти со скоростью света, которые вовлекаются в воронку и ускоряются линиями магнитного поля вокруг внешнего объекта. PKS 2131 - квазар, выбрасывающий струю прямо в направлении Земли, что делает его тем, что мы называем блазаром.

Группа астрономов, изучающая изменения яркости квазаров, заметила нечто странное в луче блазара PKS 2131 на радиочастотах, обнаружив ту же сигнатуру в данных, собранных еще в 2008 году. Казалось, что он колеблется на регулярных временных шкалах, его яркость колеблется с почти идеальной синусоидой, никогда ранее не наблюдавшейся у квазаров.

"PKS 2131 изменялась не просто периодически, а синусоидально", - сказал астроном Тони Ридхед из Калтеха. "Это означает, что существует закономерность, которую мы можем проследить непрерывно во времени".

Казалось, что след закончился, когда в архивных данных были обнаружены еще только два пика - один в 2005 году, а другой в 1981 году. Но затем, в 2021 году, проект заинтересовал астронома Сандру О'Нил из Калифорнийского технологического института. Она и группа исследователей вновь обратились к архивам данных, чтобы посмотреть, как далеко в прошлое они смогут проследить эту странную закономерность.

Они попали в точку. В данных обсерватории Хэйстэк, полученных в период с 1975 по 1983 год, появилось больше деталей, соответствующих времени остальных наблюдений.

"Когда мы поняли, что пики и впадины кривой блеска, обнаруженные в последнее время, совпадают с пиками и впадинами, наблюдавшимися в 1975-1983 годах, мы поняли, что происходит что-то особенное", - сказал О'Нил.

Согласно анализу, проведенному командой, регулярное "тиканье" сигнала порождается орбитальным движением двух черных дыр. По мере того, как они обращаются друг вокруг друга за двухлетние промежутки времени, радиоизлучение тускнеет и светлеет из-за орбитального движения джета, что вызывает доплеровский сдвиг, усиливающий свет, когда черная дыра движется к нам.

Архивные данные показывают, что эту синусоиду можно было наблюдать последовательно в течение восьми лет, начиная с 1976 года, после чего она исчезла на 20 лет. Вероятно, это было связано с изменением или нарушением подачи материала в сверхмассивную черную дыру. Через 20 лет картина вновь появилась, и с тех пор продолжается уже около 17 лет, говорят исследователи.

Другая подобная система, OJ 287, говорит о том, что эта интерпретация верна. Этот блазар имеет две близкие сверхмассивные черные дыры, вращающиеся друг вокруг друга каждые 12 лет на расстоянии в треть светового года. Он также демонстрирует колебания радиояркости, хотя и более нерегулярно и без синусоидальной формы волны.

Хотя мы не увидим окончательного слияния сверхмассивных черных дыр в PKS 2131, они могут показать нам, как искать подобные системы. В свою очередь, они могут приблизить нас к пониманию того, как происходят эти колоссальные столкновения.

Исследование было опубликовано в журнале The Astrophysical Journal Letters.