Гигантские черные дыры в танце в сердце галактики
Эдди Гонсалес-младший — MessageToEagle.com — Застывшие в эпическом космическом вальсе на расстоянии 9 миллиардов световых лет две сверхмассивные черные дыры, кажется, вращаются вокруг друг друга каждые два года.
Каждое из двух гигантских тел имеет массу, в сотни миллионов раз превышающую массу нашего Солнца, а расстояние между объектами примерно в 50 раз превышает расстояние, разделяющее наше Солнце и Плутон. Ожидается, что когда пара сольется примерно через 10 000 лет, колоссальное столкновение сотрясет пространство и само время, посылая гравитационные волны по всей Вселенной.
Концепт этого художника показывает двух кандидатов в сверхмассивные черные дыры в центре квазара под названием PKS 2131-021. На этом изображении системы видно, как гравитация черной дыры на переднем плане (справа) искажает и искажает свет ее компаньона, имеющего мощную струю. Масса каждой черной дыры примерно в сто миллионов раз превышает массу нашего Солнца, а черная дыра на переднем плане чуть менее массивна. Кредит: Калифорнийский технологический институт/Р. Больно (IPAC)
Группа астрономов под руководством Калифорнийского технологического института обнаружила доказательства того, что этот сценарий происходит внутри очень энергичного объекта, известного как квазар. Квазары — это активные ядра галактик, в которых сверхмассивная черная дыра выкачивает материал из окружающего ее диска. В некоторых квазарах сверхмассивная черная дыра создает струю, летящую со скоростью, близкой к скорости света.
Квазар, наблюдаемый в новом исследовании, PKS 2131-021, принадлежит к подклассу квазаров, называемых блазарами, в которых струя направлена на Землю. Астрономы уже знали, что квазары могут обладать двумя сверхмассивными черными дырами, но найти прямые доказательства этого оказалось непросто. двухъярусная кровать
В сообщении в Astrophysical Journal Letters исследователи утверждают, что PKS 2131-021 теперь является вторым известным кандидатом на роль пары сверхмассивных черных дыр, пойманных в процессе слияния. Первая пара-кандидат внутри квазара под названием OJ 287 вращается вокруг друг друга на большем расстоянии, совершая оборот каждые девять лет, по сравнению с двумя годами, которые требуются паре PKS 2131-021 для завершения орбиты.
Контрольные доказательства были получены в результате радионаблюдений ПКС 2131-021, которые охватывают 45 лет. Согласно исследованию, мощная струя, исходящая от одной из двух черных дыр внутри PKS 2131-021, смещается вперед и назад из-за орбитального движения пары.
Это вызывает периодические изменения яркости радиоизлучения квазара. Эти колебания были зарегистрированы пятью различными обсерваториями, в том числе радиообсерваторией Owens Valley (OVRO) Калифорнийского технологического института, радиоастрономической обсерваторией Мичиганского университета (UMRAO), обсерваторией Haystack Массачусетского технологического института, национальной радиоастрономической обсерваторией (NRAO), радиообсерваторией Metsähovi в Финляндии и широкополосной обсерваторией НАСА. Космический спутник Infrared Survey Explorer (WISE).
Комбинация радиоданных дает почти идеальную синусоидальную кривую блеска, в отличие от всего, что наблюдалось у квазаров ранее.
«Когда мы поняли, что пики и впадины кривой блеска, обнаруженные в последнее время, совпадают с пиками и впадинами, наблюдавшимися между 1975 и 1983 годами, мы поняли, что происходит нечто особенное», — говорит Сандра О’Нил, ведущий автор нового исследования. и студент бакалавриата Калифорнийского технологического института, наставником которого является Тони Ридхед, почетный профессор астрономии Робинсона.
Рябь в пространстве и времени
Большинство, если не все галактики обладают чудовищными черными дырами в своих ядрах, включая нашу собственную галактику Млечный Путь. Когда галактики сливаются, их черные дыры «погружаются» в середину новообразованной галактики и в конечном итоге объединяются, образуя еще более массивную черную дыру. По мере того, как черные дыры движутся по спирали друг к другу, они все больше и больше нарушают ткань пространства и времени, испуская гравитационные волны, которые впервые были предсказаны Альбертом Эйнштейном более 100 лет назад.
LIGO (лазерный интерферометр Gravi) Национального научного фонда. Когда пара сольется примерно через 10 000 лет, ожидается, что колоссальное столкновение сотрясет само пространство и время, посылая гравитационные волны по всей вселенной. , обнаруживает гравитационные волны от пар черных дыр, масса которых в десятки раз превышает массу нашего Солнца. Однако сверхмассивные черные дыры в центрах галактик имеют массу, в миллионы и миллиарды раз превышающую массу нашего Солнца, и излучают более низкие частоты гравитационных волн, чем обнаруженные LIGO.
В будущем временные массивы пульсаров, состоящие из массива пульсирующих мертвых звезд, за которыми точно следят радиотелескопы, должны быть в состоянии обнаруживать гравитационные волны от сверхмассивных черных дыр такого веса. (Предстоящая миссия Laser Interferometer Space Antenna, или LISA, позволит обнаружить сливающиеся черные дыры, массы которых в 1000–10 миллионов раз превышают массу нашего Солнца). но ПКС 2131-021 представляет собой наиболее многообещающую цель.
Между тем, световые волны — лучший способ обнаружить слияние сверхмассивных черных дыр.
Первый такой кандидат, OJ 287, также демонстрирует периодические вариации радиоизлучения. Эти колебания более нерегулярны и не синусоидальны, но они предполагают, что черные дыры вращаются вокруг друг друга каждые девять лет. Черные дыры внутри нового квазара PKS 2131-021 вращаются друг вокруг друга каждые два года и находятся на расстоянии 2000 астрономических единиц друг от друга, что примерно в 50 раз превышает расстояние между нашим Солнцем и Плутоном или в 10-100 раз ближе, чем пара в OJ 287. (Астрономическая единица — это расстояние между Землей и Солнцем.)
Выявление 45-летней кривой блеска
Ридхед говорит, что открытия разворачивались как «хороший детективный роман», начиная с 2008 года, когда он и его коллеги начали использовать 40-метровый телескоп в ОВРО для изучения того, как черные дыры преобразуют материал, которым они «питаются», в релятивистские струи или струи, летящие со скоростью до 99,98% света. С этой целью они отслеживали яркость более 1000 блазаров, когда в 2020 году заметили уникальный случай.
«PKS 2131 менялся не просто периодически, а синусоидально», — говорит Ридхед. «Это означает, что существует закономерность, которую мы можем непрерывно отслеживать с течением времени». Он говорит, что вопрос тогда заключался в том, как долго продолжается этот синусоидальный узор?
Затем исследовательская группа просмотрела архивные радиоданные, чтобы найти прошлые пики на кривых блеска, которые соответствовали прогнозам, основанным на более поздних наблюдениях OVRO. Во-первых, данные массива очень длинных базовых линий NRAO и UMRAO выявили пик 2005 года, который соответствовал прогнозам. Данные UMRAO также показали, что синусоидальный сигнал вообще отсутствовал в течение 20 лет до этого времени — вплоть до 1981 года, когда наблюдался другой предсказанный пик.
«На этом история бы закончилась, поскольку мы не знали, что данные об этом объекте существовали до 1980 года», — говорит Ридхед. «Но затем Сандра взялась за этот проект в июне 2021 года. Если бы не она, эта прекрасная находка лежала бы на полке».
О’Нил начал работать с Ридхедом и вторым автором исследования Себастьяном Кильманном, постдоком Университета Крита и бывшим научным сотрудником Калифорнийского технологического института, в рамках программы Летней исследовательской стипендии для студентов Калифорнийского технологического института (SURF). О’Нил поступила в колледж по специальности химия, но выбрала проект по астрономии, потому что хотела оставаться активной во время пандемии. «Я поняла, что меня это волнует гораздо больше, чем все, над чем я работала», — говорит она.
Когда проект вернулся к рассмотрению, Ридхед просмотрел литературу и обнаружил, что обсерватория Хейстек вела радионаблюдения за PKS 2131-021 в период с 1975 по 1983 год. Эти данные выявили еще один пик, соответствующий их предсказаниям, на этот раз пришедшийся на 1976 год.
«Эта работа показывает ценность точного мониторинга этих источников в течение многих лет для выполнения научных открытий», — говорит соавтор Роджер Блэндфорд, заслуженный научный сотрудник Мура в области теоретической астрофизики в Калифорнийском технологическом институте, который в настоящее время находится в творческом отпуске в Стэнфордском университете.
Как часы
Ридхед сравнивает систему струи, движущейся вперед и назад, с тикающими часами, где каждый цикл или период синусоидальной волны соответствует двухлетней орбите черных дыр (хотя наблюдаемый цикл на самом деле составляет пять лет из-за света). растягивается за счет расширения Вселенной). Это тиканье было впервые замечено в 1976 году и продолжалось в течение восьми лет, прежде чем исчезнуть на 20 лет, вероятно, из-за изменений в подпитке черной дыры. Тиканье возвращается уже 17 лет.
«Часы продолжали тикать, — говорит он. — Стабильность периода в течение этого 20-летнего промежутка убедительно свидетельствует о том, что этот блазар содержит не одну сверхмассивную черную дыру, а две сверхмассивные черные дыры, вращающиеся вокруг друг друга».
Физика, лежащая в основе синусоидальных вариаций, сначала была загадкой, но Блэндфорд придумал простую и элегантную модель для объяснения синусоидальной формы вариаций.
«Мы знали, что эта красивая синусоида должна была рассказать нам что-то важное о системе», — говорит Ридхед. «Модель Роджера показывает нам, что это просто орбитальное движение, которое делает это. До того, как Роджер это придумал, никто не предполагал, что двойная система с релятивистским джетом будет иметь такую кривую блеска».
Кильманн говорит, что их «исследование дает план того, как искать такие бинарные блазары в будущем».
С. О’Нил и др., Непредвиденная феноменология Blazar PKS 2131–021: уникальный кандидат в сверхмассивные черные дыры, Письма в Astrophysical Journal (2022 г.)
Поделитесь в вашей соцсети👇
