Използване на архивни данни от телескоп Близнаци Север, астрономите измериха най-тежката двойка свръхмасивни черни дупки, откривани някога. Сливането на две свръхмасивни черни дупки е явление, което отдавна се предвижда, но никога не е наблюдавано. Тази масивна двойка дава улики защо подобно събитие изглежда малко вероятно във Вселената.
Почти всяка масивна галактика съдържа свръхмасивна черна дупка в центъра си. Когато две галактики се сливат, техните черни дупки могат да образуват бинарна двойка, тоест да бъдат в свързана орбита една с друга. Има хипотеза, че тези двоични двойки са предназначени да се слеят с течение на времето, но това никога не е наблюдавано. Въпросът дали подобно събитие е възможно е тема на дебат сред астрономите от десетилетия.
Астрономите са използвали данни от телескопа Gemini North в Хавай, който е половината от Международната обсерватория Gemini, управлявана от NOIRLab на Националния институт по физика, за да анализират свръхмасивната двойна черна дупка, разположена в елиптичната галактика B2 0402+379. Това е единствената свръхмасивна двоична черна дупка, която е видяна достатъчно подробно, за да се видят двата обекта поотделно, и държи рекорда за най-късото разстояние, което е измерено директно, само 24 светлинни години. Докато такова близко разстояние предвещава мощно сливане, по-нататъшно разследване разкри, че двойката е била заседнала на това разстояние повече от три милиарда години, което повдига въпроса: Каква е причината за забавянето?
За да разбере по-добре динамиката на тази система и нейното спряло сливане, екипът се обърна към архивни данни от многообектния спектрограф на Gemini North (GMOS), което им позволи да определят скоростите на звездите в близост до черни дупки.
„Забележителната чувствителност на GMOS ни позволи да картографираме увеличаването на скоростта на звездите, когато се приближават до центъра на галактиката“, каза Роджър Романи, професор по физика в Станфордския университет и съавтор на статията. „Благодарение на това успяхме да направим заключение за общата маса на черните дупки, които са там.“
Екипът изчислява, че масата на двоичната черна дупка е 28 милиарда пъти по-голяма от тази на Слънцето, което прави двойката най-тежката двойна черна дупка, измервана някога. Това измерване не само осигурява ценен контекст за формирането на двоичната система и историята на нейната галактика домакин, но също така потвърждава дългогодишната теория, че масата на супермасивна двоична черна дупка играе ключова роля в задържането на потенциално сливане.
„Архивът с данни на Международната обсерватория Джемини съдържа златна мина от неизползвани научни открития“, каза Мартин Стил, програмен директор на NSF за Международната обсерватория Джемини. „Измерването на масата на тази свръхмасивна двоична черна дупка е поразителен пример за потенциалното въздействие на нови изследвания, изследващи този богат архив.“
Разбирането как се формира тази двоична галактика може да помогне да се предвиди дали и кога ще се слее – няколко улики показват, че двойката се е образувала от сливането на множество галактики. Първо, B2 0402+379 е „фосилен клъстер“, тоест резултат от сливането на звезди и газ на цял куп галактики в една масивна галактика. В допълнение, наличието на две свръхмасивни черни дупки, съчетано с тяхната голяма комбинирана маса, предполага, че те са се образували от сливането на няколко по-малки черни дупки от различни галактики.
След галактическо сливане свръхмасивните черни дупки не се сблъскват челно. Вместо това те започват да летят един покрай друг, установявайки се в ограничена орбита. С всяко преминаване енергията се прехвърля от черните дупки към околните звезди. Губейки енергия, двойката се приближава все по-близо и по-близо, докато не са на светлинни години един от друг, където гравитационното излъчване поема надмощие и те се сливат. Този процес е наблюдаван директно в двойки черни дупки със звездна маса – първият случай е записан през 2015 г. благодарение на откриването на гравитационни вълни – но никога не е бил наблюдаван в бинарни супермасивни системи.
С нови познания за изключително голямата маса на системата, екипът заключи, че ще са необходими изключително голям брой звезди, за да забавят орбитата на двойната система достатъчно, за да ги доближат една до друга. В този процес черните дупки изглежда са изхвърлили почти цялата материя около тях, оставяйки галактическото ядро лишено от звезди и газ. Тъй като нямаше повече материал за допълнително забавяне на орбитата на двойката, сливането им спря в последния си етап.
„Галактики с по-леки двойки черни дупки обикновено изглежда имат достатъчно звезди и маса, за да се сближат бързо“, казва Романи. „Тъй като тази двойка е толкова тежка, има нужда от много звезди и газ, за да свърши работата. Но двойната система изчисти централната галактика от такава материя, оставяйки я замразена и достъпна за нашето изследване."
Дали те ще преодолеят стагнацията и в крайна сметка ще се слеят след милиони години, или ще останат завинаги в орбитален лимб, остава да видим. Ако се слеят, получените гравитационни вълни ще бъдат 100 милиона пъти по-мощни от тези, произведени от сливането на черни дупки със звездна маса.
Възможно е двойката да преодолее това крайно разстояние чрез друго галактическо сливане, което ще вдъхне допълнителен материал в системата или може би трета черна дупка, за да забави орбитата на двойката достатъчно, за да се слее. Въпреки това, предвид статута на B2 0402+379 като фосилен клъстер, ново сливане на галактики е малко вероятно.
„Очакваме с нетърпение по-нататъшни изследвания на ядрото на B2 0402+379, където ще видим колко газ съдържа“, каза Тирт Сурти, студент от Станфорд и водещ автор на статията. „Това ще ни даде повече представа дали свръхмасивните черни дупки могат да се слеят с течение на времето или ще останат като двоична система.“
Прочетете също: