Две черные дыры столкнутся через 100 лет, и то же самое ждет нас

В центре галактики Маркарян 501, расположенной в созвездии Геркулеса, обнаружены две сверхмассивные черные дыры, которые стремительно сближаются друг с другом. Расстояние между ними по космическим меркам ничтожно, а слияние может произойти уже в ближайшие сто лет. Впервые в истории астрономии ученые наблюдают пару таких гигантов на последней стадии перед столкновением, и это событие способно ответить на фундаментальный вопрос о том, как вообще появляются самые массивные объекты во Вселенной.

Художественное изображение двух сверхмассивных черных дыр, вращающихся в центре далекой галактики

Что такое сверхмассивные черные дыры

Почти в каждой крупной галактике, включая наш Млечный Путь, в центре прячется сверхмассивная черная дыра. Масса таких объектов — от миллионов до миллиардов солнечных масс. Но вот парадокс: чтобы набрать столько вещества обычным способом, поглощая окружающий газ, не хватило бы всего возраста Вселенной. Математика просто не сходится.

Самое вероятное объяснение — сверхмассивные черные дыры вырастают, когда две черные дыры поменьше врезаются друг в друга при столкновении галактик. Галактические столкновения во Вселенной это обычное дело, и логично предположить, что черные дыры в их центрах тоже в конце концов встречаются. Но до сих пор это была именно гипотеза: тесную пару сверхмассивных черных дыр на стадии сближения никому не удавалось надежно обнаружить. Именно это изменилось благодаря команде из Института радиоастрономии Макса Планка в Бонне.

Будь в курсе новых событий по максимуму — подписывайся на наш канал в Max!

Что такое джет галактики

Галактика Маркарян 501 — это эллиптическая галактика на расстоянии более 440 миллионов световых лет от Земли. Она относится к блазарам — особому типу активных галактик, чья черная дыра выбрасывает мощный джет (струю заряженных частиц, разогнанных почти до скорости света) прямо в сторону Земли. Именно поэтому джет Маркарян 501 хорошо виден и давно изучается.

Международная группа под руководством Зильке Бритцен проанализировала радионаблюдения этой галактики, накопленные за 23 года на разных частотах. И в этих данных исследователи увидели нечто неожиданное: в ядре галактики работает не один джет, а два. Второй джет направлен иначе, чем первый, поэтому его было сложнее заметить. Но за несколько недель наблюдений учёные отследили, как он перемещается, по дуге против часовой стрелки вокруг первого.

Галактика Маркарян 501. Источник изображения: wikipedia.org

Два джета — значит, два «мотора». А моторами в данном случае выступают две отдельные сверхмассивные черные дыры. Результаты опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Кольцо Эйнштейна в астрономии

Одним из самых убедительных подтверждений стало наблюдение в июне 2022 года. В какой-то момент излучение второго джета исказилось настолько, что приняло почти кольцеобразную форму. Это явление известно как кольцо Эйнштейна — эффект, предсказанный общей теорией относительности.

Как это работает? Представьте, что между вами и далеким фонарем стоит массивный стеклянный шар. Его гравитация искривляет свет фонаря так, что вместо точки вы видите кольцо. Именно это, по мнению исследователей, произошло в галактике Маркарян 501: первая черная дыра выступила «линзой» и изогнула свет от джета второй черной дыры, находящейся за ней. Такое возможно только при почти идеальном выравнивании двух объектов с наблюдателем на Земле.

Это наблюдение стало важным аргументом в пользу того, что речь идет именно о двух черных дырах, а не о каком-то ином объяснении двойной структуры джетов.

Когда произойдет столкновение черных дыр

Анализ повторяющихся циклов яркости позволил оценить орбитальный период пары — примерно 121 день. Расстояние между черными дырами составляет от 250 до 540 астрономических единиц (одна а. е. — это расстояние от Земли до Солнца). Для космических объектов с массой от 100 миллионов до миллиарда солнечных это невероятно близко.

Настолько близко, что слияние может произойти уже в ближайшее столетие. Правда, увидеть сам финальный момент вряд ли получится, потому что на расстоянии свыше 440 миллионов световых лет даже самые мощные телескопы, включая Event Horizon Telescope (тот самый, что сделал первое фото черной дыры), не способны различить два объекта по отдельности. А по мере сближения сделать это станет еще сложнее.

Но у науки есть другой инструмент. Когда черные дыры на финальной стадии начнут интенсивнее сближаться, они будут излучать гравитационные волны сверхнизкой частоты. Их можно зафиксировать с помощью пульсарных хронометрических решеток — сетей пульсаров, сигналы которых приходят на Землю с точностью до наносекунд. Малейшее искажение этих сигналов может указать на прохождение гравитационной волны.

В 2023 году Европейская пульсарная хронометрическая решетка и другие коллаборации уже обнаружили фоновый «гул» гравитационных волн, который, предположительно, создается слияниями сверхмассивных черных дыр по всей Вселенной. Маркарян 501 теперь — главный кандидат для привязки конкретного гравитационно-волнового сигнала к конкретной паре.

Схема сближения двух черных дыр и генерации гравитационных волн

Почему пары сверхмассивных черных дыр сложно найти

Может показаться странным: если столкновения галактик — обычное дело, почему мы до сих пор не находили тесных пар черных дыр? Здесь играет роль так называемая проблема последнего парсека. Парсек — это примерно 3,26 светового года.

Суть проблемы такова. Когда две галактики сталкиваются, их черные дыры постепенно сближаются, теряя энергию за счет взаимодействия с окружающими звездами и газом. Но когда расстояние между ними сокращается до нескольких парсеков, звезды и газ вокруг заканчиваются — выбросить или поглотить уже нечего, а значит, нечему тормозить орбиту. В теоретических моделях черные дыры «застревают» на этом расстоянии и кружатся друг вокруг друга дольше, чем существует Вселенная.

Если пара в галактике Маркарян 501 действительно находится на расстоянии менее 0,003 парсека друг от друга, это значит, что черные дыры каким-то образом преодолели этот барьер. Само их существование на такой тесной орбите свидетельствует о том, что природа нашла механизм, который модели пока не могут полностью воспроизвести. Среди предложенных решений — взаимодействие с темной материей, аккреционные диски и влияние третьей черной дыры, но окончательного ответа наука еще не дала.

Столкновение галактик Млечный Путь и Андромеды

Раз уж мы говорим о столкновениях галактик, логично вспомнить ближайший к нам пример: через 4–5 миллиардов лет Млечный Путь столкнется с галактикой Андромеды. Обе галактики содержат сверхмассивные черные дыры в центрах. По нынешним представлениям, после столкновения они тоже начнут сближаться и в конечном счете могут слиться.

Но паниковать не стоит, потому что даже при столкновении галактик расстояния между отдельными звездами настолько велики, что прямые столкновения звезд практически исключены. Солнечная система, скорее всего, просто окажется на новой орбите внутри объединенной галактики. А вот черные дыры в центрах — те как раз найдут друг друга. Открытие в Маркарян 501 показывает, как именно может выглядеть финальный акт такого процесса: два гиганта на тесной орбите, излучающие джеты и генерирующие гравитационные волны.

То, что происходит в галактике Маркарян 501 сейчас, это, возможно, превью далекого будущего нашей собственной галактики.

Через миллиарды лет Млечный Путь и Андромеда столкнутся — их черные дыры тоже могут ждать слияние

Как ученые изменили мнение о Вселенной

Результат, полученный группой ученых, важен сразу по нескольким причинам:

• Это первое прямое наблюдение двойной джетовой системы в ядре галактики, и, соответственно, наиболее убедительное свидетельство того, что тесная пара сверхмассивных черных дыр действительно существует;
• Открытие подкрепляет гипотезу о том, что сверхмассивные черные дыры набирают свою чудовищную массу именно через слияния, а не только за счет поглощения газа;
• Маркарян 5011 становится идеальным полигоном для изучения гравитационных волн сверхнизкой частоты и проверки фундаментальных предсказаний общей теории относительности.

При этом авторы исследования честно оговариваются, что это пока не окончательное подтверждение. Само существование второй черной дыры выводится косвенно, из поведения джетов и эффекта гравитационного линзирования. Увидеть два объекта по отдельности при нынешних технологиях невозможно. Но на данный момент двойная система — самое убедительное объяснение наблюдаемых феноменов.