Откриха три свръхмасивни черни дупки, които скоро ще се слеят (видео)

Астрономи забелязаха три гигантски черни дупки в титаничен сблъсък на три галактики.

Няколко обсерватории, включително рентгеновата обсерватория "Чандра" и други космически телескопи на НАСА, заснеха необичайната система.

Резултатите от наблюдението са приети за публикуване в The Astrophysical Journal, а предпечат на статията може да намерите в arXiv.org

„По онова време търсехме само двойки черни дупки и въпреки това, чрез техниката за подбор, се натъкнахме на тази невероятна система“, разказва Райън Пфайфл (Ryan Pfeifle) от Университета Джордж Мейсън от Феърфакс, Вирджиния, първият автор на нова книга в The Astrophysical Journal, описващ тези резултати. "Това е най-силното доказателство, открито досега за такава тройна система от активни  свръхмасивни черни дупки."

Системата е известна като SDSS J084905.51 + 111447.2 (за кратко SDSS J0849 + 1114) и се намира на около един милиард светлинни години от Земята.

За да разкрият тази рядка тройка черни дупки, е било необходимо изследователите да комбинират данни от телескопи както на земята, така и в космоса. Първо, телескопът Sloan Digital Sky Survey (SDSS), който сканира големи области небето в оптична светлина от Ню Мексико, откри SDSS J0849 + 1114. С помощта на учени доброволци, участващи в проект, наречен Galaxy Zoo, той бе маркиран като система от сблъскващи се галактики .

След това данните от мисията на НАСА за широкообхватно инфрачервено проучване (WISE - Wide-field Infrared Survey Explorer) разкриха, че системата свети интензивно в инфрачервена светлина по време на фазата на сливането на галактиките. По време на този процес учените очакваха да видят как една от черните дупки започва бързо да поглъща материя и да свети интензивно. За да изследват това, астрономите използват обсерваторията "Чандра" и Големия бинокуларен телескоп (LBT - Large Binocular Telescope) в Аризона.

Данните от "Чандра" разкриват източници на рентгенови лъчи - знак, че черните дупки поглъщат материал - в светлите центрове на всяка галактика, участваща в сливането, точно там, където учените очакват да са разположени свръхмасивни черни дупки. "Чандра" и Ядреният спектроскопски масив на НАСА (NuSTAR - Nuclear Spectroscopic Telescope Array) също откриха доказателства за големи количества газ и прах около една от черните дупки, типични за сливаща се система от черни дупки.

Междувременно данните от оптичната светлина от SDSS и LBT показаха характерни спектрални сигнатури на материала, поглъщан от трите свръхмасивни черни дупки.

"Оптичните спектри съдържат богата информация за галактиката", обяснява съавторът Кристина Манцано-Кинг (Christina Manzano-King) от Калифорнийския университет, Ривърсайд. "Те обикновено се използват за идентифициране на активно консумиращи свръхмасивни черни дупки и могат да отразят влиянието, което оказват върху галактиките, които обитават."

Една от причините, поради които е трудно да се намери тройка свръхмасивни черни дупки, е тази, че често са обвити в газ и прах, блокиращи голяма част от светлината им. Инфрачервените изображения от WISE, инфрачервените спектри от LBT и рентгеновите изображения от Чандра заобикалят този проблем, тъй като инфрачервената и рентгеновата светлина преминават облаците газ много по-лесно от оптичната.

„Използвайки тези основни обсерватории намерихме нов начин за идентифициране на тройни свръхмасивни черни дупки. Всеки телескоп ни дава различна представа за случващото се в тези системи“, коментира Пфайфл. "Надяваме се да разширим работата си, за да намерим повече тройки, използвайки същата техника."

"Двойните и тройните черни дупки са изключително редки", коментира съавторът Шобита Сатьяпал (Shobita Satyapal) също от Университета Джордж Мейсън, "но такива системи всъщност са естествено следствие от сливанията на галактиките, които според нас точно по този начин растат и се развиват."

_{R. Pfeifle, S. Satyapal, C. Manzano-King, et. al.}

Три сливащи се свръхмасивни черни дупки се държат по различен начин, не като обикновена двойна система. Когато взаимодействат три такива черни дупки, две от тях трябва да се слеят в по-голяма черна дупка много по-бързо, отколкото ако бяха само две. Това може да е решение на една теоретична главоблъсканица, наречена "проблем на финалния парсек", в която две свръхмасивни черни дупки могат да се приближат на разстояние няколко светлинни години една от друга, но ще се нуждаят от допълнително тласък навътре, за да се слеят поради излишната енергия, която носят в орбитите си. Влиянието на трета черна дупка, както в SDSS J0849 + 1114, най-сетне може да ги обедини.

Проблемът на последния парсек

Има теорично основание да се предполага, че две черни 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.

Компютърните симулации показаха, че 16% от двойките свръхмасивни черни дупки в сблъскващи се галактики ще трябва да са взаимодействали с трета свръхмасивна черна дупка, преди да се слеят. Такива сливания ще произведат пулсации през пространство-времето, наречени гравитационни вълни, Тези вълни ще имат по-ниски честоти, отколкото могат да уловят Лазерният интерферометър на гравитационно-вълновата обсерватория (LIGO - Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) и Европейският детектор на гравитационните вълни Virgo. Те обаче могат да бъдат открити при радионаблюденията на пулсари, както и от бъдещите космически обсерватории, като например LISA (Laser Interferometer Space Antenna) на Европейската космическа агенция, която ще може да открива черни дупки до един милион слънчеви маси.

Справка: "A Triple AGN in a Mid-Infrared Selected Late Stage Galaxy Merger," Ryan W. Pfeifle et al., 2019, Astrophysical Journal: arxiv.org/abs/1908.01732

Източник: 

Found: three black holes on collision course, phys.org

Binary black hole. Final parsec problem, Wikipedia

Още по темата

26/09/2019

Физика

Новата визуализация на черна дупка от НАСА е изключително красива

20/09/2019

Космос

Някои планети могат да обикалят около свръхмасивна черна дупка вместо звезда

13/09/2019

Космос

Има ли черни дупки, състоящи се от ... тъмна енергия?

12/09/2019

Физика

В центъра на галактиката ни двойка странни гигантски мехура излъчват радиация