Колосални черни дупки в епичен космически танц в сърцето на галактиката (видео)

Астрономи откриват доказателства за най-тясно свързаните свръхмасивни черни дупки, наблюдавана досега.

Заключени в епичен космически валс на 9 милиарда светлинни години от нас, две свръхмасивни черни дупки изглежда обикалят една около друга на всеки две години. Двете гигантски тела имат маси, които са стотици милиони пъти по-големи от тази на нашето Слънце, а обектите са разделени на разстояние, приблизително 50 пъти по-голямо от това, което разделя нашето Слънце и Плутон. Когато двойката се слее след около 10 000 години, се очаква титаничният сблъсък да разтърси самото пространство-време, изпращайки гравитационни вълни във Вселената.

Екип от астрономи, ръководен от Калифорнийския технологичен институт, откри доказателства за този сценарий, който се случва в мощен енергиен обект, известен като квазар. Квазарите са активни ядра на галактики, в които свръхмасивна черна дупка изсмуква материал от диска, който я обгражда. При някои квазари свръхмасивната черна дупка създава струя (джет), която изстрелва със скорост, близка до тази на  светлината. Квазарът, наблюдаван в новото изследване, PKS 2131-021, принадлежи към подклас квазари, наречени блазари, при които струята е насочена към Земята. На астрономите вече бе известно, че квазарите притежават две орбитални свръхмасивни черни дупки, но намирането на преки доказателства за това е трудно.

_{Двете свръхмасивни черни дупки се виждат да обикалят една около друга в цикличната анимация на този художник. По-масивната черна дупка, която е стотици милиони пъти по-голяма от масата на нашето Слънце, изстрелва струя, която променя видимата си яркост, докато двойката черни дупки обикалят една около друга. Астрономите откриха доказателства за този сценарий в квазар, наречен PKS 2131-021, след като анализират 45-годишни радионаблюдения, които показват, че системата периодично потъмнява и изсветлява. Смята се, че наблюдаваният цикличен модел е причинен от орбиталното движение на струята. Кредит: Caltech/R. Hurt (IPAC)}

Отчитайки ресултатите си в статия, публикувана в The Astrophysical Journal Letters, изследователите твърдят, че PKS 2131-021 сега е вторият известен кандидат за двойка свръхмасивни черни дупки, уловени в акт на сливане. Първата кандидат двойка черни дупки, в рамките на квазар, наречен OJ 287, обикалят една около друга на по-големи разстояния, правейки пълна обиколка на всеки девет години спрямо двете години, необходими на двойката PKS 2131-021 за пълна обиколка.

Доказателствата са от радионаблюдения на PKS 2131-021, които обхващат 45 години. Според проучването, мощната струя, изхвърляна от една от двете черни дупки в PKS 2131-021, се измества напред-назад поради орбиталното движение на двойката. Това причинява периодични промени в яркостта на радиовълните на квазара. Пет различни обсерватории регистрират тези колебания, включително Радиообсерваторията на Оуенс Вали (OVRO), Радиоастрономическата обсерватория на Мичиганския университет (UMRAO), обсерваторията Haystack на Масачузетския технологичен институт, Националната радиоастрономическа обсерватория (NRAO), радиообсерваторията Metsähovi във Финландия и спътника на НАСА WISE.

_{Анимация на художник на свръхмасивна черна дупка, обградена от въртящ се диск от газ и прах. Черната дупка изстрелва релативистична струя ( която се движи с почти скоростта на светлината). Кредит:  Caltech/R. Hurt (IPAC)}

Комбинацията от радиоданните дава почти перфектна синусоидална светлинна крива, за разлика от всичко, наблюдавано от квазарите преди.

„Когато разбрахме, че пиковете и падовете на кривата на светлината, засечени от скоро, съвпадат с пиковете и падовете, наблюдавани между 1975 и 1983 г., знаехме, че се случва нещо много специално“, разказва Сандра О'Нийл (Sandra O’Neill), водещ автор на новото изследване и студент в Калифорнийския технологичен институт (Caltech), чийто ментор е Тони Рийдхед (Tony Readhead), почетен професор по астрономия.

Пулсации в пространството и времето

Повечето, ако не всички, галактики притежават чудовищни ​​черни дупки в ядрата си, включително нашата собствена галактика Млечен път. Когато галактиките се сливат, техните черни дупки „потъват“ в средата на новообразуваната галактика и в крайна сметка се съединяват, за да образуват още по-масивна черна дупка. Докато черните дупки се приближават една към друга, те все повече нарушават тъканта на пространството и времето, изпращайки гравитационни вълни, които за първи път са предсказани от Алберт Айнщайн преди повече от 100 години.

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) на Националната научна фондация, която се управлява съвместно от Caltech и MIT, открива гравитационни вълни от сливането на двойки черни дупки до десетки пъти масата на нашето слънце. Но свръхмасивните черни дупки в центровете на галактиките имат милиони до милиарди пъти по-голяма маса от нашето слънце и излъчват по-ниски честоти на гравитационни вълни от тези, открити от LIGO.

^{Тук са нанесени три серии радионаблюдения на квазара PKS 2131-02, обхващащи 45 години, с данни от Радиообсерваторията на Оуенс Вали (OVRO) в синьо; Радиоастрономическа обсерватория на Мичиганския университет (UMRAO) в кафяво; и обсерватория Haystack в зелено. Наблюденията съвпадат с обикновена синусоида, обозначена в синьо. Астрономите смятат, че синусоидалната вълна е причинена от две свръхмасивни черни дупки в сърцето на квазара, обикалящи една около друга на всеки две години. (Всъщност се наблюдава период от пет години поради ефекта на Доплер, причинен от разширяването на Вселената.) Една от черните дупки изстрелва релативистична струя, която периодично потъмнява и изсветлява. Имайте предвид, че данните от OVRO и UMRAO съвпадат за пика през 2010 г., а данните от UMRAO и Haystack съвпадат за пика през 1981 г. Стойностите на пиковете, наблюдавани около 1980 г., са два пъти по-големи от тези, наблюдавани в последно време, вероятно защото повече материал е падал в черната дупка и се е изхвърлял по това време. Кредит: Tony Readhead/Caltech}

В бъдеще от свръхмасивните черни дупки от масивите пулсиращите мъртви звезди, прецизно наблюдавани от радиотелескопи, би трябвало да могат да се откриват гравитационните вълни.

Предстоящата мисия Laser Interferometer Space Antenna, или LISA, ще могат да се откриват сливащи се черни дупки, чиито маси са 1000 до 10 милиона пъти по-големи от масата на нашето Слънце. Досега не са регистрирани гравитационни вълни от тези по-масивни източници, но PKS 2131-021 предоставя най-обещаващата цел досега.

Междувременно светлинните вълни са най-добрият вариант за откриване на сливащи се свръхмасивни черни дупки.

Първият такъв кандидат, ОВ 287, също показва периодични вариации на радиосветлината. Тези флуктуации са по-неправилни и не са синусоидални, но предполагат, че черните дупки обикалят една около друга на всеки девет години. Черните дупки в новия квазар, PKS 2131-021, обикалят една около друга на всеки две години и са на разстояние 2000 астрономически единици, около 50 пъти разстоянието между нашето слънце и Плутон, или 10 до 100 пъти по-близо от двойката в OJ 287. (Астрономическа единица е разстоянието между Земята и Слънцето.)

Като часовников механизъм

Рийдхед сравнява системата от джетове, движещи се напред-назад, с тиктакащ часовник, където всеки цикъл или период на синусоидата съответства на двугодишната орбита на черните дупки (въпреки че наблюдаваният цикъл всъщност е пет години поради това, че светлината се разтяга от разширяването на Вселената). Това тиктакане е видяно за първи път през 1976 г. и продължава осем години, преди да изчезне за 20 години, вероятно поради промени в захранването на черната дупка. Сега тиктакането се върна от 17 години.

„Часовникът продължаваше да тиктака“, разказва Рийдхед, „Стабилността на периода през тази 20-годишна разлика силно подсказва, че този блазар крие не една свръхмасивна черна дупка, а две свръхмасивни черни дупки, обикалящи една около друга.“

Физиката, лежаща в основата на синусоидалните вариации, отначало бе загадка, но съавторът Роджър Бландфорд (Roger Blandford) съставя прост и елегантен модел, за да обясни синусоидалната форма на вариациите.

„Знаехме, че тази красива синусоида трябва да ни казва нещо важно за системата“, коментира Рийдхед. „Моделът на Роджър ни показва, че това е просто орбиталното движение. Преди Роджър да го измисли, никой не беше разбрал, че двоен елемент с релативистична струя ще има крива на светлината, която изглежда така".

Справка: “The Unanticipated Phenomenology of the Blazar PKS 2131–021: A Unique Supermassive Black Hole Binary Candidate” by S. O’Neill, S. Kiehlmann, A. C. S. Readhead, M. F. Aller, R. D. Blandford, I. Liodakis, M. L. Lister, P. Mróz, C. P. O’Dea, T. J. Pearson, V. Ravi, M. Vallisneri, K. A. Cleary, M. J. Graham, K. J. B. Grainge, M. W. Hodges, T. Hovatta, A. Lähteenmäki, J. W. Lamb, T. J. W. Lazio, W. Max-Moerbeck, V. Pavlidou, T. A. Prince, R. A. Reeves, M. Tornikoski, P. Vergara de la Parra and J. A. Zensus, 23 February 2022, The Astrophysical Journal Letters.

DOI: 10.3847/2041-8213/ac504b

Източник: Colossal Black Holes Locked in an Epic Cosmic Dance at Heart of Galaxy, California Institute Of Technology

Още по темата

01/12/2021

Космос

Откриха най-близката до нас двойка свръхмасивни черни дупки (видео)

21/07/2021

Космос

Свръхмасивните черни дупки спират раждането на звездите

15/04/2021

Космос

Нови безпрецедентни изображения на свръхмасивната черна дупка M87 *

13/01/2021

Космос

Учените са близо до откриването на гравитационни вълни от свръхмасивни черни дупки