Почти в центре каждой крупной галактики находится сверхмассивная черная дыра. Масса таких объектов может превышать солнечную в миллионы или даже миллиарды раз, однако механизм их роста до столь внушительных размеров до конца не ясен. Один из путей набора массы — поглощение (аккреция) окружающего газа, но этого процесса, вероятно, недостаточно для объяснения самых крупных черных дыр. Недостающее звено может заключаться в слиянии с другими массивными черными дырами.
Столкновения галактик во Вселенной происходят часто, поэтому их центральные черные дыры со временем тоже должны сближаться. При слиянии двух галактик ожидается, что их черные дыры станут двигаться навстречу друг другу, начнут обращаться одна вокруг другой и постепенно сближаться по спирали, пока не соединятся в единый объект. Однако ученым по-прежнему трудно моделировать заключительные стадии таких слияний. Еще больше вопросов вызывает то, что астрономы до сих пор не получили надежных свидетельств существования пары сверхмассивных черных дыр на очень тесной орбите, хотя доказательств столкновений галактик предостаточно.
Международная группа исследователей под руководством Сильке Бритцен из Института радиоастрономии Общества Макса Планка (MPIfR) в Бонне нашла прямые наблюдательные свидетельства того, что такая пара может находиться в центре галактики Mrk 501. Результаты работы приняты к публикации в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society и должны выйти в одном из ближайших выпусков. Давно известно, что центральная черная дыра Mrk 501 испускает мощный поток частиц — джет, который устремляется в космос почти со скоростью света. Такие джеты возникают в экстремальных условиях вокруг черных дыр, где сильные магнитные поля разгоняют вещество наружу.
Чтобы изучить систему, ученые проанализировали детальные радионаблюдения на нескольких частотах, выполненные в десятки отдельных дней примерно за 23 года. Обширный набор данных выявил нечто примечательное: помимо привычного джета удалось обнаружить второй джет, движение которого также можно проследить. По словам исследователей, эти наблюдения стали первым прямым визуальным свидетельством существования подобной системы в центре галактики и убедительно указывают на присутствие второй сверхмассивной черной дыры. Сами черные дыры при этом расположены на небе слишком близко друг к другу, чтобы их можно было различить по отдельности. «Мы искали это так долго, а потом это стало полной неожиданностью: мы смогли не только увидеть второй джет, но и проследить его движение», — приводит слова Сильке Бритцен.
Ранее известный джет направлен в сторону Земли, поэтому он выглядит особенно ярким и сравнительно легко наблюдаемым. Новый джет указывает в другую сторону, что помогает объяснить, почему он так долго оставался скрытым. За несколько недель наблюдений астрономы заметили резкие изменения положения второго джета. Он как будто появлялся из-за более крупной черной дыры и двигался вокруг нее против часовой стрелки. Это движение повторялось, что указывает на регулярное орбитальное движение всей системы. «Обработка данных ощущалась так, будто находишься на корабле. Вся система джетов пребывает в движении. Система из двух черных дыр может это объяснить: плоскость орбиты покачивается», — поясняет Сильке Бритцен.
Исследователи также выявили необычное событие в июне 2022 года, когда излучение системы сложилось в кольцо. Это явление, известное как кольцо Эйнштейна, возникает, когда гравитация искривляет свет, создавая кольцеобразную картину. Одно из возможных объяснений состоит в том, что две черные дыры и Земля на короткое время оказались выстроены нужным образом. В такой конфигурации гравитация передней черной дыры могла действовать как линза, искривляя свет второго джета позади нее. Этот эффект, называемый гравитационным линзированием, дает еще одну возможную подсказку о природе системы. Судя по изменениям джетов и повторяющимся закономерностям их яркости, две черные дыры совершают оборот друг вокруг друга примерно за 121 день. Расчетное расстояние между ними составляет всего от 250 до 540 раз больше дистанции от Земли до Солнца. Хотя это звучит огромно, для объектов массой от 100 миллионов до миллиарда солнечных масс это очень мало. Настолько тесная орбита может иметь серьезные последствия: в зависимости от реальных масс черных дыр расстояние между ними может сокращаться достаточно быстро, чтобы они слились всего за 100 лет. По астрономическим меркам это исключительно короткий срок, который может дать исследователям редкую возможность изучить, как сверхмассивные черные дыры приближаются к финальному столкновению.
К сожалению, Mrk 501 находится так далеко, что даже самые мощные современные инструменты не позволяют различить две черные дыры как отдельные объекты. Телескоп горизонта событий (EHT), получивший первые изображения черных дыр в 2019 и 2022 годах, тоже не обладает нужным разрешением, чтобы запечатлеть эту пару по отдельности. Поэтому астрономы не смогут напрямую наблюдать сокращение расстояния между черными дырами, однако их сближение можно выявить другим способом. Когда массивные объекты обращаются друг вокруг друга, они порождают гравитационные волны — слабые искажения пространства-времени, распространяющиеся по Вселенной. Предполагаемая пара черных дыр в Mrk 501 должна создавать гравитационные волны крайне низкой частоты, которые можно обнаружить с помощью массивов пульсарного тайминга (PTA). Такие массивы используют исключительно регулярные радиоимпульсы быстро вращающихся нейтронных звезд — пульсаров — в качестве точных космических часов. Измеряя едва заметные изменения времени прихода этих импульсов на Землю, ученые ищут влияние проходящих гравитационных волн. Двойные сверхмассивные черные дыры (SMBHB) уже считаются главным объяснением гравитационно-волнового фона — постоянного сигнала, который, как полагают, возникает от множества далеких источников по всей Вселенной. В 2023 году Европейский массив пульсарного тайминга и другие научные коллективы сообщили о свидетельствах такого фона. Открытие в Mrk 501 делает эту галактику особенно перспективной целью для того, чтобы связать гравитационно-волновой сигнал с конкретной парой сверхмассивных черных дыр. Подобное обнаружение могло бы не только подтвердить существование системы, но и позволить измерить, как меняется орбита пары, и определить, приближаются ли черные дыры к финальному слиянию. «Если гравитационные волны будут обнаружены, мы можем даже увидеть, как их частота неуклонно растет по мере того, как два гиганта сближаются по спирали к столкновению, что даст редкий шанс наблюдать слияние сверхмассивных черных дыр», — отмечает соавтор работы Эктор Оливарес.