Десятиліттями астрономи знали, що надмасивні чорні діри (СМБХ) проживають у центрі наймасивніших галактик. Ці чорні діри, від сотень тисяч до мільярдів сонячних мас, чинять потужний вплив на навколишнє речовина і, як вважають, є причиною активних галактичних ядер (AGN). Поки астрономи про них знали, вони намагалися зрозуміти, як утворюються та розвиваються SMBH.
У двох нещодавно опублікованих дослідженнях дві міжнародні групи дослідників повідомляють про виявлення п'яти нововиявлених пар чорних дір у центрах віддалених галактик. Це відкриття може допомогти астрономам пролити нове світло на те, як утворюються та зростають СМБХ з часом, не кажучи вже про те, як злиття чорних дір виробляють найсильніші гравітаційні хвилі у Всесвіті.
Про перші чотири кандидати в подвійну чорну діру було повідомлено у дослідженні під назвою «Поховані АГН у розширених злиттях: Вибір середнього інфрачервоного кольору як подвійний пошук AGN», яке очолив Шобіта Сатьяпал, професор астрофізики університету Джорджа Мейсона. Це дослідження було прийнято до публікації в Астрофізичний журнал і нещодавно з’явився в Інтернеті.
Друге дослідження, в якому було повідомлено про п'ятого кандидата з подвійної чорної діри, очолила Сара Еллісон - професор астрофізики з університету Вікторії. Він був нещодавно опублікований в Щомісячні повідомлення Королівського астрономічного товариства під назвою "Відкриття подвійного активного галактичного ядра з розділенням ~ 8 кп.". Відкриття цих п'яти пар чорних дір було дуже вдалим, враховуючи, що пари - дуже рідкісна знахідка.
Як пояснила Шобіта Сатьяпал у прес-заяві Чандри:
«Астрономи знаходять по всій Всесвіті поодинокі надмасивні чорні діри. Але хоча ми прогнозували, що вони швидко зростають під час взаємодії, важко знайти вирощування подвійних надмасивних чорних дір.“
Пара чорних дір була виявлена шляхом комбінування даних з ряду різних наземних та космічних приладів. Сюди ввійшли оптичні дані з Sloan Digital Sky Survey (SDSS) та наземного великого бінокулярного телескопа (LBT) в Арізоні з ближньою інфрачервоною інформацією з широкопольного інфрачервоного оглядача (WISE) та рентгенівських даних із Чандри NASA Рентгенологічна обсерваторія.
Заради своїх досліджень Сатьяпал, Еллісон та їх відповідні команди прагнули виявити подвійні АГН, які, як вважають, є наслідком галактичних злиттів. Вони почали з консультацій з оптичними даними SDSS для виявлення галактик, які, здається, перебувають у процесі злиття. Дані з всебічного дослідження WISE були використані для ідентифікації тих галактик, які відображали найпотужніші AGN.
Потім вони ознайомилися з даними з розширеного спектрометра візуалізації ПЗЗ Chandra (ACIS) та LBT для виявлення семи галактик, які виявилися на передовій стадії злиття. Дослідження під керівництвом Еллісона також покладалося на оптичні дані, надані в Картографічних галактиках поблизу обсерваторії Apache Point Observatory (MaNGA), щоб визначити одну з нових пар чорних дір.
Зі об’єднаних даних вони з’ясували, що п’ять із семи об’єднаних галактик розміщували можливі подвійні АГН, які були розділені менше ніж на 10 кілопарсек (понад 30 000 світлових років). Про це свідчили інфрачервоні дані, надані WISE, що відповідало тому, що передбачає швидко зростаючі надмасивні чорні діри.
Крім того, дані Чандри показали тісно відокремлені пари джерел рентгенівських променів, що також узгоджується з чорними дірами, які на них повільно накопичуються. Ці інфрачервоні та рентгенівські дані також дозволяють припустити, що надмасивні чорні діри закопуються у великій кількості пилу та газу. Як зазначав Еллісон, ці результати були результатом кропіткої роботи, яка полягала в сортуванні даних за різними довжинами хвиль:
"Наша робота показує, що поєднання інфрачервоного вибору з рентгенівським спостереженням є дуже ефективним способом пошуку цих пар чорних дір. Рентгенівські випромінювання та інфрачервоне випромінювання здатні проникати через затемнення хмари газу та пилу, що оточують ці пари чорних дір, і для їх розділення потрібне різке бачення Чандри ».
Перед цим дослідженням на основі рентгенологічних досліджень було підтверджено менше десяти пар зростаючих чорних дір, і це були переважно випадково. Отже, ця остання робота, яка виявила п'ять пар чорних дір, використовуючи комбіновані дані, була одночасно і вдалою, і значною. Окрім посилення гіпотези про те, що надмасивні чорні діри утворюються при злитті менших чорних дір, ці дослідження також мають серйозні наслідки для досліджень гравітаційних хвиль.
"Важливо зрозуміти, наскільки поширені супермасивні пари чорних дір, щоб допомогти передбачити сигнали для гравітаційних хвильових обсерваторій", - сказав Сатьяпа. «Коли вже проводяться експерименти та майбутні експерименти, це час, який цікаво провести дослідження злиття чорних дір. Ми знаходимося на ранніх стадіях нової ери у дослідженні Всесвіту ».
Починаючи з 2016 року, загалом чотири випадки гравітаційних хвиль були виявлені такими інструментами, як Лазерний інтерферометр Гравітаційно-хвильова обсерваторія (LIGO) та Обсерваторія VIRGO. Однак ці виявлення були результатом злиття чорних дір, де чорні діри були все меншими і менш масивними - від восьми до 36 сонячних мас.
З іншого боку, надмасивні чорні діри набагато масивніші і, ймовірно, створюють набагато більшу гравітаційну хвилю, коли вони продовжують зближуватися. І через кілька сотень мільйонів років, коли ці пари зрештою зливаються, отримана енергія, що утворюється при перетворенні маси в гравітаційні хвилі, буде неймовірною.
В даний час такі детектори, як LIGO і Діва, не в змозі виявити гравітаційні хвилі, створені парами надмасивної чорної діри. Цю роботу проводять такі масиви, як Північноамериканська обсерваторія гравітаційних хвиль (NANOGrav), яка спирається на високоточні мілісекундні пульсари для вимірювання впливу гравітаційних хвиль на простір-час.
Очікується, що запропонована космічна антена для лазерного інтерферометра (LISA), яка буде першим виділеним космічним детектором гравітаційного хвилі, також допоможе в пошуку. Тим часом, дослідження гравітаційних хвиль вже отримали велику користь від спільних зусиль, як той, що існує між розширеним LIGO та Advanced Dego.
Надалі вчені також передбачають, що вони зможуть вивчати інтер’єри наднових за допомогою гравітаційних хвильових досліджень. Це, ймовірно, виявить багато інформації про механізми формування чорної діри. Між усіма цими постійними зусиллями та майбутніми подіями, ми можемо очікувати, що «почуємо» набагато більше Всесвіту та найпотужніших сил, що діють у ньому.
Обов’язково ознайомтеся з цією анімацією, яка показує, як виглядатиме можливе злиття двох цих пар чорних дір, люб’язно надавши рентгенівську обсерваторію Чандра:
