Масса каждой черной дыры более чем в 800 миллионов раз больше массы нашего Солнца. По мере того, как эти двое постепенно сближаются в смертельной спирали, они начнут посылать гравитационные волны, колеблющиеся в пространстве-времени. Эта космическая рябь присоединится к еще не обнаруженному фоновому шуму гравитационных волн от других сверхмассивных черных дыр.
Еще до предполагаемого столкновения гравитационные волны, исходящие от пары сверхмассивных черных дыр, будут затмевать те, которые ранее были обнаружены в результате слияния гораздо меньших черных дыр и нейтронных звезд.
«Сверхмассивные двойные черные дыры производят самые громкие гравитационные волны во Вселенной», – говорит соавтор исследования Кьяра Мингарелли, младший научный сотрудник Центра вычислительной астрофизики Института Флэтайрон в Нью-Йорке. Гравитационные волны от пар сверхмассивных черных дыр "в миллион раз громче, чем обнаруженные LIGO."
Исследование проводилось под руководством Энди Голдинга, младшего научного сотрудника Принстонского университета. Гулдинг, Мингарелли и сотрудники из Принстона и США.S.
Лаборатория военно-морских исследований в Вашингтоне, D.C., сообщить об открытии 10 июля в The Astrophysical Journal Letters.
Две сверхмассивные черные дыры особенно интересны, потому что их размер составляет около 2.5 миллиардов световых лет от Земли.
Поскольку смотреть на далекие объекты в астрономии – все равно что оглядываться назад во времени, пара принадлежит Вселенной 2.На 5 миллиардов лет моложе нашей. По совпадению, это примерно столько же времени, сколько, по оценке астрономов, потребуется черным дырам, чтобы начать производить мощные гравитационные волны.
В современной Вселенной черные дыры уже излучают эти гравитационные волны, но даже на скорости света волны не достигнут нас миллиарды лет. Дуэт по-прежнему полезен, хотя.
Их открытие может помочь ученым оценить, сколько соседних сверхмассивных черных дыр излучают гравитационные волны, которые мы могли бы обнаружить прямо сейчас.
Обнаружение фона гравитационных волн поможет решить некоторые из самых больших неизвестных в астрономии, например, как часто галактики сливаются и сливаются ли пары сверхмассивных черных дыр вообще или застревают в почти бесконечном вальсе друг вокруг друга.
«Для астрономии очень неприятно то, что мы не знаем, сливаются ли сверхмассивные черные дыры», – говорит соавтор исследования Дженни Грин, профессор астрофизических наук из Принстона. "Для всех, кто занимается физикой черных дыр, с точки зрения наблюдений это давняя загадка, которую нам нужно решить."
Сверхмассивные черные дыры содержат массу в миллионы или даже миллиарды солнц.
Почти все галактики, включая Млечный Путь, содержат по крайней мере одного из гигантов в своей основе. Когда галактики сливаются, их сверхмассивные черные дыры встречаются и начинают вращаться по орбите.
Со временем эта орбита сужается, поскольку газ и звезды проходят между черными дырами и крадут энергию.
Однако, как только сверхмассивные черные дыры подойдут достаточно близко, кража энергии практически прекратится.
Некоторые теоретические исследования показывают, что черные дыры затем останавливаются на отметке около 1 парсек (примерно 3 парсека).2 световых года) друг от друга. Это замедление длится почти бесконечно и известно как последняя проблема парсека. В этом сценарии только очень редкие группы из трех или более сверхмассивных черных дыр приводят к слияниям.
Астрономы не могут просто искать застрявшие пары, потому что задолго до того, как черные дыры разделятся на 1 парсек, они будут слишком близки, чтобы их можно было различить как два отдельных объекта. Более того, они не производят сильных гравитационных волн, пока не преодолеют препятствие в финальном парсеке и не приблизятся друг к другу. (Наблюдали, как они были 2.5 миллиардов лет назад новые сверхмассивные черные дыры появились на расстоянии около 430 парсеков.)
Если последней проблемы с парсеком не существует, то астрономы ожидают, что Вселенная наполнится шумом гравитационных волн от пар сверхмассивных черных дыр. «Этот шум называется фоном гравитационной волны, и он немного похож на хаотический хор сверчков, щебечущих в ночи», – говорит Гулдинг. "Вы не можете отличить одного сверчка от другого, но громкость шума помогает вам оценить, сколько сверчков там."(Когда две сверхмассивные черные дыры, наконец, сталкиваются и объединяются, они издают громовой щебет, который затмевает все остальные. Однако такое событие бывает кратковременным и чрезвычайно редким, поэтому ученые не ожидают его обнаружения в ближайшее время.)
Гравитационные волны, генерируемые парами сверхмассивных черных дыр, находятся за пределами частот, которые в настоящее время наблюдаются в таких экспериментах, как LIGO и Virgo. Вместо этого охотники за гравитационными волнами полагаются на массивы особых звезд, называемых пульсарами, которые действуют как метрономы.
Быстро вращающиеся звезды излучают радиоволны в устойчивом ритме. Если проходящая гравитационная волна растягивает или сжимает пространство между Землей и пульсаром, ритм слегка сбивается.
Обнаружение фона гравитационных волн с использованием одной из этих систем синхронизации пульсаров требует терпения и множества наблюдаемых звезд. Ритм отдельного пульсара может быть нарушен всего на несколько сотен наносекунд за десятилетие.
Чем громче фоновый шум, тем больше сбой по времени и тем быстрее будет сделано первое обнаружение.
Гулдинг, Грин и другие наблюдательные астрономы в команде обнаружили двух титанов с помощью космического телескопа Хаббла.
Хотя сверхмассивные черные дыры не видны напрямую в оптический телескоп, они окружены яркими скоплениями светящихся звезд и теплого газа, втянутыми мощным гравитационным рывком. На протяжении своего исторического периода галактика, в которой находится недавно обнаруженная пара сверхмассивных черных дыр, «по сути является самой яркой галактикой во Вселенной», – говорит Гулдинг.
Более того, ядро галактики выбрасывает два необычно колоссальных газовых шлейфа. После того, как исследователи направили космический телескоп Хаббла на галактику, чтобы раскрыть происхождение ее впечатляющих газовых облаков, они обнаружили, что система содержит не одну, а две массивные черные дыры.
Затем наблюдатели объединились с физиками гравитационных волн Мингарелли и аспирантом Принстона Крисом Пардо, чтобы интерпретировать открытие в контексте фона гравитационных волн.
Открытие обеспечивает точку привязки для оценки того, сколько пар сверхмассивных черных дыр находится на расстоянии обнаружения Земли. Предыдущие оценки основывались на компьютерных моделях частоты слияния галактик, а не на реальных наблюдениях пар сверхмассивных черных дыр.
Основываясь на полученных данных, Пардо и Мингарелли предсказывают, что в оптимистичном сценарии поблизости есть около 112 сверхмассивных черных дыр, излучающих гравитационные волны.
Следовательно, первое обнаружение фона гравитационных волн от сверхмассивных черных дыр должно произойти в ближайшие пять лет или около того. Если такое обнаружение не будет выполнено, это будет свидетельством того, что окончательная проблема с парсеком может быть непреодолимой.
В настоящее время команда изучает другие галактики, похожие на галактику, в которой находится недавно обнаруженная пара сверхмассивных черных дыр. Поиск дополнительных пар поможет им еще больше отточить свои прогнозы.