Галактика, що знаходиться на відстані півмільярда світлових років, може стати свідком зіткнення надмасивних чорних дір у реальному часі, можливо, протягом наступного століття.

Новий аналіз незвичайного світла з блазара Mrk 501 вказує на наявність не однієї, а двох надмасивних чорних дір, кожна з яких генерує свій власний швидкісний струмінь матерії. Це не є остаточним підтвердженням, але, за словами астронома Сілке Бріцен з Інституту Макса Планка з радіоастрономії в Німеччині, це наразі найпереконливіше пояснення дивної поведінки галактики.

Якщо це підтвердиться, це може означати, що одна з великих загадок космології знаходиться на нашому порозі: перше спостереження злиття надмасивних чорних дір, маса яких у мільйони або мільярди разів перевищує масу Сонця.

"Досі жодна система з подвійним струменем у ядрі блазара не була виявлена за допомогою прямих зображень", - пишуть Бріцен та її колеги. "Таким чином, ця робота повідомляє про перше виявлення системи з подвійним струменем, що веде до висновку про наявність пари надмасивних чорних дір у ядрі цього блазара".

Надмасивні чорні діри, як вважають, ховаються в серці кожної великої галактики, навколо якої обертається решта галактики. Ці гіганти можуть досягати величезних мас і ставлять кілька заплутаних питань.

Одне з найактуальніших питань - як вони досягають таких великих розмірів. Чорні діри з масою зірки - ті, що мають десятки сонячних мас - формуються з колапсованих ядер вмираючих масивних зірок. Ми знаємо, що вони можуть зливатися, утворюючи більші чорні діри, найбільша з яких важить близько 225 сонячних мас.

Але формування і еволюційні шляхи до чорних дір з масами, що в мільйони разів перевищують масу Сонця, є більш загадковими. Частково це пов'язано з тим, що нам не вистачає інструментів для виявлення гравітаційних хвиль від злиття однієї надмасивної чорної діри, що було б найкращим інструментом для розуміння того, як вони зростають через злиття.

Але надмасивні чорні діри не такі вже й таємничі, як їхні менші родичі. Ці колосальні об'єкти часто поглинають величезні обсяги матеріалу, що обертається навколо них у диску, нагріваючись і світячи.

Деякий матеріал, що падає на чорну діру, відхиляється вздовж магнітних ліній за межами горизонту подій. Цей матеріал прискорюється до полюсів чорної діри, де він викидається в космос з величезною силою у вигляді струменя плазми, що світиться в радіо-світлі. Як диски, так і швидкі струмені можуть бути виявлені нашими телескопами - це характерний підпис ненаситної надмасивної чорної діри.

Ми знаємо, що галактики зливаються, щоб стати більшими - існує безліч прикладів триваючих галактичних злиттів по всьому Всесвіту. І надмасивні чорні діри в їхніх центрах притягуються одна до одної. Є кілька прикладів пост-злиття галактик з двома або більше надмасивними чорними дірами в ядрі, які перебувають у спіральній орбіті, що, як очікується, врешті-решт призведе до їх злиття.

Mrk 501, розташована приблизно за 464 мільйони світлових років, є галактикою, в якій астрономи підозрюють наявність подвійної надмасивної чорної діри. Однак Mrk 501 є блазером, галактикою з активною надмасивною чорною дірою з релятивістським струменем, спрямованим майже прямо на Землю. Вона надзвичайно яскрава в електромагнітному спектрі, що ускладнює детальний аналіз її ядра.

Бріцен і її колеги звернулися до надвисокоякісних радіотелескопів, щоб відстежити зміни в центрі Mrk 501 через кілька радіочастот. Їхні спостереження тривали близько 23 років, що дозволило їм відстежити яскраві особливості в струмені з часом.

Дослідники використали ці зміни, щоб відтворити, як матеріал рухається навколо центрального двигуна галактики - і тоді з'явилося щось дивне. Схема, здавалося, вказувала на наявність другого, тьмянішого струменя, який, здається, обертається проти годинникової стрілки навколо радіо ядра.

"Оцінка даних нагадувала мені подорож на кораблі", - говорить Бріцен. "Вся система струменів перебуває в русі. Система з двох чорних дір може пояснити це: орбітальна площина коливається".

Команда потім змоделювала спостережуваний рух і дійшла висновку, що поведінка легше пояснюється наявністю другої надмасивної чорної діри. Вони виявили два періоди в коливному світлі. Один тривав сім років, і дослідники виявили, що він узгоджується з коливанням у системі струменів, як у коливальному вертольоті.

Інший тривав лише 121 день; це, за їхніми словами, може бути пов'язано з орбітальним періодом двох чорних дір, розділених відстанню від 250 до 540 разів більшою, ніж відстань між Землею та Сонцем. Для об'єктів таких величезних розмірів, як надмасивні чорні діри, це надзвичайно близько.

Це також є часткою парсека, що становить близько 3,2 світлових років. Це цікаво через так звану проблему фінального парсека.

Згідно з моделями, коли надмасивні чорні діри обертаються одна навколо одної, вони передають свою орбітальну енергію зіркам і газу навколо них, що призводить до зменшення їхньої спільної орбіти. Коли відстань між ними зменшується, кількість матеріалу, який може забрати їхній імпульс, також зменшується.

Коли вони опиняються приблизно на відстані одного парсека, їхнє галактичне сусідство більше не може підтримувати подальше орбітальне зменшення, тому орбіта чорних дір може затриматися на дуже тривалий час - довше, ніж нинішній вік Всесвіту.

Якщо Mrk 501 дійсно є домом для подвійної надмасивної чорної діри, відстань між парою становить максимум лише 0,0026 парсека - що свідчить про те, що такі пари можуть знайти спосіб подолати розрив, який фізика говорить, що дуже важко подолати.

Надмасивні чорні діри - це дійсно дивовижні об'єкти.

Отже, оскільки ця ще не підтверджена пара буде так близько одна до одної, час до їх зіткнення може бути дуже коротким - менше 100 років, кажуть дослідники. Тому Mrk 501 варто тримати під контролем, особливо з пульсарами, які можуть виявити низькочастотні гравітаційні хвилі, які вони випромінюють.

Цікавий факт

Надмасивні чорні діри можуть мати масу, що в мільярди разів перевищує масу Сонця, і їхнє вивчення допомагає зрозуміти еволюцію галактик.