21.12.2018

В сталкивающихся галактиках найдены тесные пары сверхмассивных черных дыр

Взаимодействующие галактики изучаются уже не одно десятилетие, однако до сих пор не было данных о том, что происходит на финальных стадиях слияния, когда сблизились две сверхмассивные черные дыры. Наблюдениям мешает кокон из горячих пыли и газа, окружающий «место действия». Космическая обсерватория SWIFT и восьмиметровый инфракрасный телескоп Кека с адаптивной оптикой смогли преодолеть эту завесу и найти несколько пар сближающихся сверхмассивных черных дыр в сталкивающихся галактиках. На основании этого уже можно делать выводы о частоте таких столкновений в ранней Вселенной и о возможности будущей их регистрации детекторами гравитационных волн.

Человек, далекий от астрономии, может подумать, что столкновение галактик – это крайне редкое событие с катастрофическими последствиями вроде сталкивающихся звезд, бомбардировки планет огромными метеоритами и последующей гибелью всех разумных цивилизаций (если вдруг они в этих галактиках были). На самом деле космические модели предсказывают – и ряд наблюдений это подтверждает, – что за время существования Вселенной галактики должны сталкиваться и поглощать себе подобные достаточно часто, да и выглядит этот процесс совсем не так апокалиптично.

Некоторые сталкивающиеся галактики можно обнаружить даже в небольшой телескоп – например галактики Антенны NGC 4038 и NGC 4039, расположенные от нас в 14 миллионах парсек. В процессе слияния они уже три раза пролетали друг сквозь друга. Да и наша галактика Млечный Путь, оказывается, тоже когда-то столкнулась с другой галактикой: часть звезд Млечного Пути вращается в противоположном направлении по сравнению с вращением спиральных рукавов, а значит, эти звезды принадлежали более скромной по размерам галактике, которая была поглощена и со временем «переварена» нашей (см. A. Helmi et al., 2018. The merger that led to the formation of the Milky Way’s inner stellar halo and thick disk). О небольшом размере исчезнувшей галактики говорит то, что «неправильно» вращающихся звезд довольно мало, а также то, что в Млечном Пути сохранились спиральные рукава, которые в случае столкновения галактик похожих масс должны были бы исчезнуть.

Чтобы понимать, сколько галактик образовалось во Вселенной (какова их плотность в космическом пространстве), как столкновения влияют на звездное население галактик, какова масса первоначальных сверхмассивных черных дыр в галактиках, нам не хватает свидетельств об уже произошедших слияниях. Должны быть какие-то скрытые улики, которые можно обнаружить, даже когда звездное население двух галактик перемешалось. Но начнем с краткого описания того, что же, собственно, происходит, когда галактики сливаются.

Столкновение – это частный случай взаимодействия галактик, при котором они не просто меняют направление движения и морфологию, а полностью сливаются с образованием в конечном итоге общего ядра. Если в галактиках сохранилось достаточно водорода, то их слияние не только не приводит к столкновению и уничтожению звезд (их средняя плотность на кубический парсек чрезвычайно мала и у практически любой пары звезд есть ненулевой угловой момент из-за которого они скорее всего пролетят мимо друг друга), а наоборот – запускает новую волну звездообразования (рис. 1), тем самым омолаживая звездное население взаимодействующих галактик. Дело в том, что облака водорода в «спокойных» галактиках со временем становятся гравитационно устойчивыми: их внутреннее давление компенсирует силу сжатия самогравитации. Такие гигантские облака могут находиться в равновесии миллиарды лет, и нужно какое-то внешнее воздействие, чтобы вывести их из состояния равновесия и запустить звездообразование.

Почему в сливающихся галактиках не сталкиваются звезды?

На этот вопрос можно отвечать двумя способами. Оба рассуждения, естественно, сильно упрощены.

Сначала просто посчитаем плотность звезд в галактике на примере Млечного Пути. Точное количество звезд в нем нам неизвестно, но общую массу звезд в диске и балдже оценивают примерно в 50 миллиардов солнечных, так что можно упрощенно считать, что в галактике 5×10¹⁰ звезд. Объем галактических диска и балджа составляет примерно 240 кубических килопарсек. Следовательно, в среднем на каждый кубический парсек пространства приходится 0,2 звезды. То есть одна звезда (опять же, в среднем) находится в кубе со стороной 5,5 световых лет (диаметр самой звезды равен 4,6 световой секунды). При столкновении галактик плотность звезд удваивается, но разминуться двум светилам в области пространства объемом 170 кубических световых лет будет нетрудно. Лишний раз можно убедиться, что космос – это в основном пустота.

Для второго способа достаточно рассмотреть всего две звезды. Если они изначально неподвижны и никакие другие объекты на них гравитационно не влияют, то, конечно, под действием силы притяжения они начнут сближаться и рано или поздно столкнутся. Но в реальности такие условия вряд ли возможны: невозможно представить, что две звезды двигаются ровно друг на друга и за все время сближения (а это миллионы лет) ничто не повлияет на их траектории. Из школьного курса механики известно, что сила не оказывает влияния на вектор скорости, перпендикулярный направлению этой силы. Значит, достаточно крохотного отклонения направления движения звезд от оси, соединяющей их центры, чтобы все время сближения этот перпендикулярный вектор уводил звезды от столкновения. Пролетев друг мимо друга, они могут (если скорости не очень большие и хватает массы) стать двойной звездой, начав вращаться вокруг общего центра тяжести. Такие системы устойчивы длительное время: сейчас известно, что примерно половина звезд Млечного Пути – как раз двойные.

Именно это происходит при пролете галактик друг сквозь друга: быстро меняющийся (по космическим меркам, конечно) гравитационный потенциал выводит газовые облака из равновесия и перемешивает содержащийся в них водород. После этого в течение нескольких сот миллионов лет в объединенных галактиках будут идти процессы звездообразования. Более того, объединив свои массы, галактики начинают более активно притягивать к себе водород из межгалактического пространства, который тоже используется в качестве строительного материала для новых звезд. Получается, что столкновение галактик приводит не к разрушению, а, наоборот, к созиданию.

Но в сливающихся галактиках есть два особых массивных объекта, которые почти наверняка встретятся в катаклизмическом процессе; при этом высвободится огромное количество энергии и образуется еще более массивный объект. Речь, конечно, о сверхмассивных черных дырах (СМЧД, «сверхмассивными» их называют из-за колоссальных масс – до нескольких миллиардов солнечных), которые находятся в центре любой «нормальной» галактики. Каждая такая черная дыра «чувствует» гравитационное влияние дыры из приближающейся галактики, и дыры начинают сближаться уже после первого пролета галактик друг сквозь друга.

Компьютерное моделирование показывает, что от первого пролета до слияния СМЧД проходит больше миллиарда лет: вращаясь вокруг общего центра масс, черные дыры медленно теряют энергию и сближаются. По мере сближения их суммарный гравитационный потенциал притягивает из центральных областей сталкивающихся галактик всё больше и больше пыли и газа, которые разогреваются и падают на них. Поэтому последние 50 миллионов лет жизни двух сливающихся СМЧД скрыты от нас: оптические телескопы не могут проникнуть внутрь этой завесы, за которой две черных дыры всё быстрее вращаются вокруг общего центра масс, постепенно сближаясь. Некоторые галактики, однако, могут иметь активное ядро, в котором и одна СМЧД притягивает к себе достаточно газа и пыли, чтобы быть скрытой от наших глаз. Обнаружение не одного, а двух активных ядер – это и есть искомая улика!

Мы до сих пор точно не знаем, как именно образуются СМЧД и что формируется первым – галактика или СМЧД в ее центре. Эта загадка «космических курицы и яйца» еще ждет своего решения: надежды возлагаются, в частности, на телескоп Джеймса Уэбба, который планируется запустить на орбиту в 2021 году. Многочисленные наблюдения убеждают нас, что у каждой обособленной галактики должна быть одна и только одна СМЧД. Если же их две, то перед нами результат недавнего слияния двух галактик. Чтобы увидеть скрытые за пылью финальные стадии сближения черных дыр, нужны совместные данные телескопов, работающих на разных концах электромагнитного спектра – в жестком рентгеновском и ближнем инфракрасном (ИК) диапазонах. Жесткие рентгеновские фотоны (длиной волны примерно 0,1 нанометра) прорываются наружу из активных ядер, даже когда оптическое, ультрафиолетовое и мягкое рентгеновское излучение поглощается газом и пылью, и сигнализируют о том, что в центре галактики находится что-то необычно активное и массивное. А высокое разрешение современных инфракрасных телескопов позволяет подтвердить, что эта активность вызвана именно двумя сближающимися СМЧД, активно аккрецирующими вещество из внешних областей.

Поиск таких «двойных» ядер выполнила международная группа астрофизиков под руководством Майкла Косса (Michael Koss). Из множества черных дыр, которых по рентгеновскому излучению обнаружил прибор Burst Alert Telescope на борту космической обсерватории SWIFT, 96 объектов были отобраны для исследования на одном из самых больших в мире телескопов с адаптивной оптикой, работающем в инфракрасном режиме, в попытке обнаружить сближение двух СМЧД внутри газопылевого кокона. Камера ближнего ИК-диапазона NIRC2, установленная на телескопе Кека (рис. 3), работает как раз на нужной длине волны (от одного до пяти микрон), а адаптивная оптика главного зеркала компенсирует искажения, вызванные турбулентностью в верхних слоях атмосферы, и позволяет добиться невероятного углового разрешения – 0,13 угловых секунд (это лучше, чем у космического телескопа «Хаббл»).

Чтобы повысить статистическую значимость выборки, к этим данным были добавлены снимки еще 64 активных ядер, которые были обнаружены обсерваторией SWIFT и для которых имеются снимки высокого разрешения, полученные с помощью ИК-фильтров телескопа «Хаббл». Обработав этот массив данных, ученые нашли 9 явных галактик с двойными СМЧД (рис. 4).

Сам факт обнаружения сливающихся СМЧД – уже достойный результат (статья Косса недавно опубликована в журнале Nature), но на его основе можно сделать еще более фундаментальные предположения. Чем черные дыры ближе друг к другу, тем быстрее уменьшаются их орбиты, следовательно, тем меньше времени они проводят на небольшом расстоянии друг от друга, и, следовательно, ниже наш шанс их обнаружить. Но раз мы можем их обнаружить в достаточном количестве, то подобных сливающихся систем тоже больше, чем считалось раньше, и галактики могут сталкиваться чаще, чем предсказывают симуляции. Это говорит о том, что мы не до конца представляем себе все физические процессы, происходящие в галактиках, а так же их частоту их взаимодействия друг с другом за время существования Вселенной. Кроме того, надежно установлено, что как раз слияние черных дыр и ответственно и за повышенную яркость центрального ядра многих галактик, и за более сильную «запыленность» по сравнению с обыкновенными активными ядрами.

Наибольшее количество столкновений галактик (а значит, и слияний СМЧД) происходило во Вселенной на красном смещении z~2 (примерно 10 миллиардов лет назад), в эпоху, которая называется «Космическим полуднем» (“Cosmic High Noon”) из-за наиболее активного звездообразования в то время. Расчеты показывают, что современные телескопы не способны увидеть СМЧД на последних стадиях слияния в ту эпоху. Разрешения телескопа «Хаббл» не хватает, чтобы увидеть два отдельных ядра, когда расстояние между ними сократится до 3 000 парсек и даже камера NIRC2 может не различить некоторые сливающиеся СМЧД, если облако пыли вокруг них особенно плотное. Только телескопы следующего поколения, такие как Чрезвычайно большой телескоп (ELT, см. также картинку дня Телескоп E-ELT) или Тридцатиметровый телескоп (TMT), будут способны надежно разглядеть вращение двух СМЧД, когда расстояние между ними будет порядка 500 парсек. Эти наблюдения будут чрезвычайно важны для космологов, которые, зная долю двойных ядер в галактиках, смогут точнее рассчитать темп столкновения галактик на ранних этапах жизни Вселенной.

Напоследок нельзя не упомянуть гравитационные волны. Именно они ответственны за сближение СМЧД, унося с собой энергию вращения. Современные и даже строящиеся гравитационные детекторы не в состоянии зарегистрировать эти волны: их частота выходит за пределы технических возможностей детекторов. Однако Космический лазерный интерферометр eLISA (рис. 5), который сейчас обсуждается в недрах НАСА и Европейского космического агентства и чей запуск предварительно планируется на 2034 год, будет обладать достаточной чувствительностью, чтобы регистрировать эти поистине колоссальные выбросы гравитационной энергии.

Марат Мусин

Источники:

1. elementy.ru