Астрономы обнаружили растущие чёрные дыры в сталкивающихся галактиках

Глядя сквозь плотные завесы газа и пыли, окружающие ядра сливающихся галактик, астрономы сумели получить самое лучшее представление о близких парах сверхмассивных чёрных дыр. Причём, изучены они были в тот момент, когда они находились на пути слияния в мегакрупную чёрную дыру.

Команда исследователей под руководством Майкла Коса из Eureka Scientific Inc в Керкленде, штат Вашингтон, провела крупнейшее исследование ядер соседних галактик в ближнем инфракрасном свете с использованием приборов высокого разрешения, установленных на космическом телескопе “Хаббл” и наземной обсерватории имени Кека на Гавайях. Наблюдения “Хаббла” представлены в виде снимков, полученных за более чем двадцатилетний период и хранящихся в его обширном архиве.

«Наблюдать пары сливающихся ядер галактик, связанных с этими огромными чёрными дырами, так близко друг к другу, было довольно удивительно. В нашем исследовании мы наблюдали сразу два ядра галактик прямо во время съемки. И абсолютно никто не может спорить с этим. Это полностью «чистый» результат, который не зависит от интерпретации».

Полученные изображения также обеспечивают примерное понимание явления, причём, крупным планом, которое было более распространённым в ранней вселенной, когда слияния галактик были более частыми. Когда галактики сталкиваются, их чёрные дыры могут высвободить огромное количество энергии в виде гравитационных волн, которые представляют своего рода рябь в пространстве-времени. Эта “рябь” была недавно обнаружена в ходе новаторских экспериментов.

Под снимками слияния NGC 6240 показаны изображения четырех других сталкивающихся галактик, а также крупным планом их коалесцирующие ядра. Левый снимок каждой пары, показывающий сами галактики, был сделан с помощью панорамного обзорного телескопа Pan-STARRS. Правый снимок, показывающий яркие ядра, был сделан в ближнем инфракрасном свете обсерваторией Кека на Гавайях с использованием адаптивной оптики для повышения резкости изображения. Ядра галактик на каждой из инфракрасных фотографий обсерватории “Хаббл” и Кека находятся всего в 3000 световых годах друг от друга. Если тут пары чёрных дыр, они, скорее всего, сольются в течение следующих 10 миллионов лет, образуя одну более массивную чёрную дыру. Эти наблюдения являются частью крупнейшего в истории исследования ядер близлежащих галактик с использованием изображений высокого разрешения в ближнем инфракрасном свете. Средняя дистанция обзора галактик составляет 330 миллионов световых лет от Земли. Источник: NASA, ESA, and M. Koss (Eureka Scientific, Inc.); W. M. Keck Observatory; Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System (Pan-STARRS)

Новое исследование также предлагает посмотреть нам на то, что, вероятно, произойдет в нашем собственном космическом доме через несколько миллиардов лет, когда Млечный Путь объединится с соседней галактикой Андромеда. Также должны будут слиться и чёрные дыры этих галактик.

«Компьютерное моделирование галактических столкновений показывает нам, что чёрные дыры быстрее всего растут на заключительных этапах слияния, почти в то время, когда они начинают взаимодействовать друг с другом. Именно это мы и выявили в нашей работе. Тот факт, что чёрные дыры растут всё быстрее и быстрее по мере слияния, говорит нам, что слияния с другими галактиками действительно важны для понимания того, как эти объекты стали настолько чудовищно большими», — член исследовательской группы Лора Блеха из Университета Флориды в Гейнсвилле.

Слияние галактик — это медленный процесс, длящийся более миллиарда лет. Оно представляет собой явление, когда две галактики, под действием неумолимого гравитационного взаимодействия, как бы танцуя, подходят всё ближе друг к другу, прежде чем, наконец, объединиться. Моделирование показывает, что галактики высвобождают много газа и пыли, когда входят в процесс медленного слияния.

Это выброшенное вещество часто создаёт плотную завесу вокруг центров коалесцирующих галактик, закрывая их от наблюдения с помощью оптических телескопов в видимом свете. Часть материала также падает на чёрные дыры в ядрах сливающихся галактик. Чёрные дыры растут очень быстро, когда они наполняют себя такой космической пищей, и они заставляют падающий в них газ ярко светиться из-за сильного нагрева. Такой стремительный рост происходит в течение последних 10-20 миллионов лет слияния. Обсерватории “Хаббл” и Кека сумели запечатлеть крупным планом этот заключительный этап, когда разбухшие чёрные дыры находятся всего в 3000 световых годах друг от друга.

Найти ядра галактик так близко друг к другу очень нелегко. Большинство предыдущих наблюдений за сталкивающимися галактиками фиксировали чёрные дыры на более ранних стадиях, когда расстояние между ними было примерно в 10 раз больше. Поздняя стадия процесса слияния настолько неуловима, потому что взаимодействующие галактики заключены в плотную оболочку пыли и газа, что требует проведения наблюдений с высоким разрешением в инфракрасном свете. Именно в этом диапазоне электромагнитного спектра телескопы могут смотреть сквозь облака пыли и точно определять местоположение двух сливающихся ядер.

Команда сначала искала визуально затемнённые, активные чёрные дыры, изучая десятилетний архив рентгеновских данных от Burst Alert Telescope (BAT), установленного на борту обсерватории “Свифт”, которая изучает объекты в высоких энергиях.

«Газ, падающий на чёрные дыры, испускает рентгеновские лучи, яркость которых говорит нам, как быстро чёрная дыра растёт. Я не знал, найдём ли мы скрытые слияния, но мы подозревали, основываясь на компьютерном моделировании, что они будут протекать в очень “запылённых” галактиках. Именно поэтому нам потребовались обсерватории высокого разрешения — чтобы получить максимально чёткие изображения в надежде найти сливающиеся черные дыры».

Исследователи изучили архив “Хаббла”, идентифицируя те сливающиеся галактики, которые они заметили в рентгеновских данных. Затем они использовали сверхчувствительный телескоп ближнего инфракрасного диапазона обсерватории Кека для наблюдения большего набора чёрных дыр, производящих рентгеновские лучи, не найденных в архиве “Хаббла”.

«Раньше астрономы проводили исследования, чтобы найти эти близкие взаимодействующие чёрные дыры. Но, конкретно в этом исследовании удалось найти рентгеновские лучи, которые могут прорваться сквозь завесу пыли. Мы также посмотрели немного дальше во вселенную, чтобы мы могли исследовать больший объем пространства, что дало нам больше шансов найти более яркие, быстро растущие чёрные дыры».

Команда нацелилась на изучение галактик, находящихся на среднем расстоянии в 330 миллионов световых лет от Земли. Многие из них похожи по размеру на Млечный Путь и Андромеду. Всего команда проанализировала 96 галактик в Обсерватории Кека и 385 галактик из архива “Хаббла”, которые ранее были найдены в 38-ми различных программах наблюдения этой космической обсерватории. Подбор галактик является репрезентативным для астрономов при проведении исследования всего неба.

Чтобы проверить свои результаты, команда Косса сравнила эти галактики с 176 другими галактиками из архива “Хаббла”, в которых отсутствуют активно растущие чёрные дыры. Сравнение подтвердило, что светящиеся ядра, найденные в большинстве пыльных взаимодействующих галактик, действительно являются сигнатурой быстро растущих пар чёрных дыр, неминуемо движущихся к столкновению.

Когда две сверхмассивные чёрные дыры в каждой из этих систем, наконец, сойдутся, спустя миллионы лет, их столкновение создаст сильные гравитационные волны. Гравитационные волны, образующиеся при столкновениях двух чёрных дыр звёздной массы, ранее были обнаружены лазерным интерферометром гравитационно-волновой обсерватории LIGO. А такие обсерватории, как планируемая космическая лазерная интерферометрическая космическая антенна LISA, смогут обнаружить гравитационные волны более низкой частоты от слияний уже сверхмассивных чёрных дыр, которые в миллион раз массивнее, чем те, которые обнаружены LIGO.

Астрономы обнаружили растущие чёрные дыры в сталкивающихся галактиках

Эти изображения показывают заключительную стадию объединения пары ядер галактик. На снимке слева, сделанном камерой “Хаббла”, показана сливающаяся галактика NGC 6240. Крупный план ярких блестящих ядер этого космического соединения показан справа. Этот вид, показанный в инфракрасном свете, пронзает плотное облако пыли и газа, охватывающее две сталкивающиеся галактики и раскрывает активные ядра. Огромные чёрные дыры в этих ядрах очень быстро растут, поскольку питаются газом, притянутым слиянием галактик. Быстрый рост чёрных дыр происходит в течение последних 10-20 миллионов лет слияния. Источник: NASA, ESA, and M. Koss (Eureka Scientific, Inc.)

Будущие инфракрасные телескопы, среди них космический космический телескоп имени Джеймса Уэбба и новое поколение гигантских наземных телескопов, обеспечат ещё более лучшее представление о столкновениях галактик путём измерения масс, скорости роста и динамики сближения пар чёрных дыр. Телескоп “Уэбб” будет также иметь возможность изучать объекты в среднем инфракрасном диапазоне, чтобы обнаружить больше взаимодействующих галактик, настолько скрытых внутри очень плотного газопылевого облака, что даже ближний инфракрасный свет не может проникнуть в них.

Результаты работы стали доступны в сети 7 ноября 2018 года в журнале Nature.

По информации НАСА.