Астрономы нашли способ обнаружить невидимые пары сверхмассивных черных дыр по повторяющимся вспышкам

Гравитационно линзированный звездный свет (оранжевый) от двойной сверхмассивной черной дыры. Кольцо Эйнштейна показано синим цветом. Credit: Hanxi Wang

Астрономы из Оксфордского университета и Института гравитационной физики Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна) разработали новую стратегию для обнаружения одних из самых неуловимых объектов во Вселенной — тесных пар сверхмассивных черных дыр.

Ожидается, что такие двойные системы гигантских черных дыр естественным образом образуются после слияния галактик. Хотя астрономам уже удалось обнаружить некоторые широко разделенные пары сверхмассивных черных дыр, найти те, что вращаются гораздо ближе друг к другу, оказалось значительно сложнее.

В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, ученые предлагают искать характерный сигнал. По мере того как черные дыры вращаются друг вокруг друга, их колоссальная гравитация может многократно усиливать свет звезд, расположенных позади них, создавая повторяющиеся вспышки, которые могут выдать скрытые системы.

Слияние галактик приводит к образованию двойных сверхмассивных черных дыр

В центре большинства галактик находится сверхмассивная черная дыра. Когда галактики сталкиваются и в конечном итоге сливаются, их центральные черные дыры могут гравитационно связаться, образуя то, что ученые называют двойной сверхмассивной черной дырой.

Эти системы важны для понимания того, как галактики эволюционируют с течением времени. Ожидается, что они также будут генерировать одни из самых сильных гравитационных волн во Вселенной.

Будущие космические обсерватории гравитационных волн должны быть способны обнаруживать эти двойные системы напрямую. Однако новое исследование предполагает, что астрономам, возможно, не придется ждать. Существующие и будущие обзоры неба потенциально могут идентифицировать их по их влиянию на видимый свет.

«Сверхмассивные черные дыры действуют как естественные телескопы, — сказал доктор Мигель Зумалакарреги из Института гравитационной физики Макса Планка. — Из-за их огромной массы и компактного размера они сильно искривляют проходящий свет. Звездный свет из той же родительской галактики может быть сфокусирован в необычайно яркие изображения — явление, известное как гравитационное линзирование».

Как гравитационное линзирование создает яркие вспышки

Одиночная сверхмассивная черная дыра может значительно увеличить яркость фоновой звезды, но только при почти идеальном выравнивании.

Двойная система ведет себя иначе. С двумя черными дырами, действующими как гравитационные линзы, область, где может произойти экстремальное увеличение, становится намного больше. Пара создает характерную алмазообразную структуру, известную как каустическая кривая, где звезды могут становиться dramatically ярче.

Теоретически, идеально точечная звезда могла бы быть увеличена бесконечно. На практике конечный размер звезд накладывает ограничение на то, насколько ярким может стать этот эффект.

«Вероятность того, что звездный свет будет сильно усилен, для двойной системы значительно возрастает по сравнению с одиночной черной дырой», — сказал профессор Бенце Коциш с физического факультета Оксфордского университета, соавтор исследования.

Повторяющиеся звездные вспышки могут выдать скрытые черные дыры

В отличие от одиночной черной дыры, двойная система черных дыр постоянно меняется.

Когда две черные дыры вращаются друг вокруг друга, они постепенно теряют энергию из-за излучения гравитационных волн — процесса, предсказанного общей теорией относительности Эйнштейна. Со временем это заставляет черные дыры сближаться и вращаться быстрее.

«По мере движения двойной системы каустическая кривая вращается и меняет форму, проходя через большой объем звезд позади нее, — объясняет аспирант Ханьси Ван, руководивший исследованием. — Если яркая звезда находится внутри этой области, она может производить необычайно яркую вспышку каждый раз, когда каустика проходит над ней. Это приводит к повторяющимся всплескам звездного света, которые служат четким и отличительным признаком двойной сверхмассивной черной дыры».

Поскольку каустическая структура постоянно смещается, результирующие вспышки будут происходить снова и снова, создавая узнаваемую закономерность, которую астрономы могут искать.

Подсказки о массах и орбитах черных дыр

Команда обнаружила, что время и интенсивность этих вспышек должны следовать предсказуемым тенденциям, а не появляться случайно.

По мере того как гравитационные волны медленно сжимают орбиту, они тонко изменяют форму и движение каустической кривой. Эти изменения оставляют измеримые сигнатуры как в яркости, так и в частоте вспышек.

Анализируя эти закономерности, исследователи смогут оценить важные характеристики скрытой двойной системы, включая массы черных дыр и детали их орбитальной эволюции.

Ожидается, что мощные новые обсерватории, в том числе Обсерватория Веры К. Рубин и космический телескоп Нэнси Грейс Роман, в ближайшие годы значительно расширят поиск этих повторяющихся событий линзирования.

«Перспектива идентификации сближающихся двойных сверхмассивных черных дыр за годы до того, как будущие космические детекторы гравитационных волн начнут работу, чрезвычайно захватывает, — заключает профессор Коциш. — Это открывает дверь к настоящим мультимессенджерным исследованиям черных дыр, позволяя нам проверять гравитацию и физику черных дыр совершенно новыми способами».

Источники: sciencedaily.com

Материалы предоставлены Оксфордским университетом.