Две свръхмасивни черни дупки се готвят да се сблъскат. Проблемът на последния парсек (видео)

Астрономи са забелязали далечна двойка гигантски черни дупки, които постепенно се сближават, насочвайки се към сблъсък, в спирала на смъртта.

Те ще започнат да изпращат гравитационни вълни, които ще накъдря пространство-времето.

Тези космически вълни ще се присъединят към все още неоткрития фонов шум на гравитационните вълни от други свръхмасивни черни дупки.

Екип астрономи е успял да открие тези две свръхмасивни черни дупки с космическия телескоп Хъбъл в галактиката SDSSJ1010 + 1413 на 2.5 милиарда светлинни години. Всяка от тези черни дупки има маса от около 800 милиона слънчеви маси (сравнете ги със свръхмасивната черна дупка в нашата собствена галактика, Стрелец А*, която има маса само 4.3 милиона пъти повече от Слънцето).

Астрономите смятат, че приближавайки се една към друга двете черни дупки ще произведат гравитационни вълни. Така че те не се излъчват само когато се сблъскват и сливат в една черна дупка, но и в течение на милиони години преди събитието, когато се приближават по спирала една към друга.

^{Оценка на GWB (gravitational wave background - "гравитационно-вълнов фон") въз основа на наблюдения на J010 + 1413. AGN са "активни галактически ядра" (active galactic nuclei), z е червено отместване, мярка за разстоянието. Кредит: Goulding AD и др. / Astrophysical Journal Letters 2019}

Най-голямото значение на това откритие е, че ще се доближим до разпознаването на гравитационно-вълновия фон, хипотетичното "бръмчене" на нискочестотни гравитационни вълни от източници като супермасивни черни дупки.

Все още предстои да открием този шум - той е извън обхвата на инструментите, с които разполагаме. Но сега, когато имаме реална двойка свръхмасивни черни дупки в нашето полезрение, нейните характеристики дават на астрономите оценка на това колко такива двойки биха могли да бъдат там, потенциално създавайки този фонов шум от гравитационни вълни.

"Това е нещо като хаотичния хор от щурци, които свирят през нощта", обяснява астрофизикът Анди Гулдинг (Andy Goulding) от Университета в Принстън. "Не можеш да различиш един щурец от друг, но силата на шума ти помага да прецениш колко се щурците".

Тази двойка свръхмасивни черни дупки е твърде далеч, за да се открият техните гравитационни вълни, каквито LIGO и Virgo търсят ежедневно, но въз основа на наблюденията на двойката в SDSSJ1010 + 1413, астрономите се опитват да разберат колко от тези двойки ще произведат сблъсък и колко от тях са близо до нашата галактика Млечен път. След това биха могли да бъдат открити по техния непрекъснат поток от гравитационни вълни.

Оптимистичните оценки сочат, че трябва да има 112 такива двойки на относително близко разстояние от Млечния път (както се вижда на изображението по-горе).

_{Проблемът на финалния парсек: Те наистина ли ще се съберат?}

Проблемът на последния парсек

Двете черни дупки в SDSSJ1010 + 1413 са на 430 парсека (1400 светлинни години) една от друга, така че сблъскването и сливането ще се случи след известно време.

Въпросът дали те някога ще се сблъскат,  все още не е предрешен.

Всъщност, има теорично основание да се предполага, че черните дупки ще се приближават еднa към друга, докато стигнат междинно разстояние от около 1 парсек (което е 3,2 светлинни години) и тогава те ще се забавят и доста странно ще стоят отдалечени една от друга, формирайки тясна двойна система. 

Това се нарича проблем на финалния парсек и малко свръхмасивни черни дупки всъщност ще достигнат „сливане“ заради това странно явление.

Обяснението изглежда просто - черните дупки предават енергията си на газовете и звездите между тях, което води до изхвърляне на материя с висока скорост в процеса на гравитационната маневра и загуба на енергия. Обаче обемът на пространството, в който се осъществява този процес, се компресира, докато орбитата на дупките намалява и в този момент, когато разстоянието между черните дупки е около 1 парсек, между тях има толкова малко материя, че ще са необходими милиарди години (повече от възрастта на Вселената), за да се приближат достатъчно близо, за да се слеят. 

Гравитационните вълни също могат да допринесат за загубата на енергия, но само когато орбитата на двойката черни дупки се свие до 0,01-0,001 парсека.

Все пак свръхмасивните черни дупки претърпяват сливания и такава двойка вече е наблюдавана в PKS 1302-102.

Предложени са редица решения на проблема с последния парсек. Повечето от възможностите включват взаимодействие на масивната двойна система с обкръжаващата материя - звезди или газ - която може да поеме енергията на двойната система и да доведе до нейното компресиране. Например, ако достатъчен брой звезди премине покрай двойна система, тяхното гравитационно изтласкване (гравитационна прашка) може да сближи черните дупки доста бързо.

Справка: Discovery of a Close-separation Binary Quasar at the Heart of a z ~ 0.2 Merging Galaxy and Its Implications for Low-frequency Gravitational Waves, Astrophysical Journal Letters . 

Източници:

Pair of supermassive black holes discovered on a collision course, Eurekalert 

Astronomers Just Detected 2 Supermassive Black Holes on a Course For Collision, ScienceAlert

Binary black hole. Final parsec problem, Wikipedia

Още по темата

02/07/2019

Космос

Свръхмасивни черни дупки могат да се образуват и без звезди

16/05/2019

Космос

Нещо загадъчно пробива гигантски, космически "дупки" в части от Млечния път

14/05/2019

Космос

Търсачите на гравитационни вълни тръгват на лов на други космически чудовища (видео)

13/01/2019

Космос

Български астрономи разгадават тайните на свръхмасивните черни дупки