Астрономы обнаружили прямые доказательства существования двух сверхмассивных черных дыр, вращающихся вокруг друг друга, в ядре галактики Маркарян 501. Галактика находится примерно в 480 миллионах световых лет от Земли. Открытие стало результатом детального анализа радиоданных, собранных за более чем десятилетие. Главным признаком является наличие второй струи релятивистских частиц рядом с уже известной струей. Международная группа опубликовала результаты в исследовании, принятом Ежемесячными уведомлениями Королевского астрономического общества.
Работу возглавили исследователи из Института радиоастрономии Макса Планка в Германии. Они повторно обработали 83 набора наблюдений, сделанных с помощью массива с очень длинной базой в период с сентября 2011 года по июль 2023 года. Наблюдения происходили на частоте 43 гигагерца. Эта частота позволяет разрешать структуры, очень близкие к ядру галактики. Сравнение с данными для более низких частот, таких как 15 гигагерц и 8 гигагерц, подтвердило полученные результаты.
Подробности радионаблюдений
Данные показывают две разные струи, выходящие из одного и того же ядра. Главный реактивный самолет, названный Джет-1, направлен в сторону Земли и уже был известен. Вторая струя, называемая Джет 2, на некоторых изображениях появляется на противоположной стороне, а затем огибает ядро против часовой стрелки. Такая конфигурация наблюдалась неоднократно на протяжении двенадцати лет мониторинга. Компоненты Jet 2 меняют положение на шкале недель и месяцев.
В ходе наблюдения 24 июня 2022 года структуры Джета 2 образовали частичную дугу вокруг главного ядра. Исследователи интерпретируют эту дугу как частичное кольцо Эйнштейна. Это могло быть вызвано гравитационным линзированием первичной черной дыры, действующим на излучение струи вторичной черной дыры. Угловое разрешение изображений достигает десятых долей миллисекунды дуги. Эта точность была необходима для разделения структур.
Предполагаемый орбитальный период движения Джета 2 вокруг ядра составляет около 141 дня в системе отсчета галактики. Кривая блеска ядра имеет периодичность, близкую примерно к 121 дню. Существует также долговременная периодичность 7,4 года, связанная с прецессией плоскости орбиты системы. Систематический сдвиг между разными частотами указывает на присутствие двух разных массивных объектов.
- Струя 2 появляется сбоку от встречной струи и изгибается против часовой стрелки, прежде чем выравниваться параллельно струе 1.
- В последующих наблюдениях Джет 2 поворачивает на юг и сливается с основными струйными структурами.
- Вся система с годами демонстрирует постепенный дрейф по часовой стрелке.
- В период с 2016 по 2017 год произошел временный откат, получивший название «сальто назад».
- Прецессия объясняет колебание орбитальной плоскости, подобное волчку, который раскачивается при вращении.
- Альтернативы, такие как нестабильности Кельвина-Гельмгольца, не воспроизводят асимметричный сдвиг между частотами.
- Бинарная модель оказывается наиболее последовательным объяснением набора данных.
Характеристики галактики Маркарян 501
Маркарян 501 — это блазар, подтип активного галактического ядра. В объектах этого типа одна из струй направлена почти прямо на Землю. Такое выравнивание усиливает излучение, наблюдаемое за счет релятивистских эффектов Доплера. Галактика излучает сильное радио-, рентгеновское и гамма-лучи с энергиями в диапазоне ТэВ. Их относительная близость облегчает наблюдения с высоким разрешением в парсековых масштабах.
С 1980-х годов астрономы заметили несовпадения в радиоструктуре галактики. Изменения происходили между мелкими масштабами, близкими к ядру, и более крупными масштабами в килопарсеках. Предыдущие модели предлагали спиральные струи, заключенные в узкие конусы или простую прецессию. Ни одно из предыдущих объяснений полностью не объясняло наблюдаемые резкие изменения. Прямое обнаружение двух струй решает часть загадок, копившихся десятилетиями.
Масса первичной черной дыры оценивается в сотни миллионов раз больше массы Солнца. Вторичная черная дыра производит Джет-2 и вращается вокруг первого на расстоянии от 251 до 542 астрономических единиц, в зависимости от предполагаемой общей массы. Это расстояние эквивалентно десяткам радиусов Шварцшильда. Вся область двойной системы умещается в пространстве, меньшем диаметра орбиты Плутона вокруг Солнца.
Последствия для эволюции сверхмассивных черных дыр
Сверхмассивные черные дыры растут в основном за счет слияний во время столкновений галактик. Теоретические модели предсказывают, что после слияния галактик центральные черные дыры образуют гравитационно связанную пару. Они начинают вращаться вокруг друг друга. Обнаружение в Маркарян 501 представляет собой случай прямого наблюдения этой промежуточной фазы. До сих пор подобные доказательства основывались главным образом на косвенных выводах или кинематическом моделировании.
Система может излучать гравитационные волны с частотой примерно от 8×10 до минус 8 герц. Эта частота попадает в ожидаемое окно обнаружения для временных решеток пульсаров. Строящаяся решетка «Квадратный километр» может способствовать будущим поискам в этом низкочастотном режиме. Более плотные наблюдения с помощью Очень длинной базовой линии или будущего Исследователя черных дыр могут еще больше уточнить геометрию орбиты.
Исследователи рассчитали время слияния двойной системы. Если массы сопоставимы, системе еще предстоит жить миллиарды лет. Если отношение масс очень мало, например 0,001, время уменьшается до сотен лет. Наиболее правдоподобная модель указывает на схожие массы, что указывает на длительную бинарность, еще далекую от окончательного слияния. В некоторых отчетах упоминается возможность слияния примерно через 100 лет, но авторы исследования по-прежнему осторожны в отношении этой оценки.
Анализ альтернатив и методологическая строгость
Команда изучила альтернативные объяснения данных. Неустойчивости Кельвина-Гельмгольца могут создавать спиральные структуры в струях. Также учитывались внутренние удары или неравномерная массовая нагрузка. Ни одна из этих гипотез не объясняет систематический сдвиг между частотами или повторяющееся орбитальное движение Джета 2. Сдвиг ядра в результате синхротронного самопоглощения был исключен, поскольку он происходит в неправильном направлении.
В анализе использовалось независимое гауссово моделирование для каждой из 83 эпох. Никакого навязывания предварительных гипотез не было. Метод профилирования правдоподобия позволил количественно оценить неопределенности параметров. Сравнение с независимыми данными других программ, таких как MOJAVE на частоте 15 гигагерц, подтвердило интерпретацию. Такая перекрестная проверка повысила уверенность в результатах.
В исследовании подчеркивается, что это первое прямое обнаружение двухструйной системы в ядре блазара. В предыдущей работе предлагались бинарные системы, основанные на периодичности или косвенных изменениях. Прорыв здесь заключается в одновременном наблюдении двух струй, сосуществующих на одних и тех же изображениях.
Исторический контекст и перспективы на будущее
Маркарян 501 отслеживался на разных длинах волн на протяжении десятилетий. Его высокоэнергетическое гамма-излучение и извилистая радиоструктура привлекли внимание. 7,4-летняя периодичность кривой радиоблеска согласуется с изменениями, наблюдаемыми на других длинах волн. Это добавляет связности возникающей картине.
Феномен просветления конечностей, о котором сообщалось в предыдущих наблюдениях, может быть артефактом, вызванным суперпозицией Jet 2 и Jet 1 на изображениях более низкого качества. Когда вторая струя не была распознана, ее структуры стали путаться с краями основной струи. Эта возможность открывает путь для повторного чтения исторических файлов VLBI на других активных ядрах.
Будущие более плотные наблюдения за частотой вращения педалей могут зафиксировать быстрые проходы Jet 2 в определенных конфигурациях. Исследователь черных дыр с запланированным разрешением около 6 микросекунд будет иметь Маркарян 501 в качестве приоритетной цели. Даже без прямого решения проблемы разделения орбит, высококачественные изображения могут раскрыть детали потока материи, питающей каждую черную дыру.
В более широком масштабе этот случай демонстрирует, что активные ядра галактик представляют собой сложную среду. Простая модель одиночной черной дыры с парой джетов, перпендикулярных аккреционному диску, полезна, но недостаточна при высоком разрешении. Галактические слияния распространены во Вселенной. Следовательно, сверхмассивные двойные черные дыры должны существовать в большом количестве. Повторный анализ существующих коллекций данных интерферометрии с длинной базой может выявить другие подобные случаи.
Этот вывод подтверждает ценность долгосрочных программ мониторинга. Сети радиотелескопов, такие как Very Long Baseline Array, которая функционирует как инструмент размером с континент, имеют важное значение для этих достижений. Тщательный анализ данных, накопленных за годы, позволил нам различить две отдельные нити в структуре, которая выглядела как одна струя.
Вселенная продолжает раскрывать дополнительные уровни сложности. Две черные дыры вращаются друг вокруг друга в центре Маркаряна 501 на протяжении десятилетий. Каждый запускает собственную струю плазмы, разогнанную до скорости, приближающейся к скорости света. Долгое время приборы и ожидания наблюдателей показывали только одну струю. Теперь, благодаря данным высокого разрешения и тщательному анализу, наука идентифицирует эти два явления. Это открытие касается не только конкретной системы. Это открывает новые перспективы для понимания того, как растут самые массивные черные дыры и как галактики развиваются в течение космического времени.