Гравитационные волны вытолкнули гигантскую черную дыру из центра галактики

Астрономы обнаружили сверхмассивную черную дыру, которая была вытолкнута из центра далекой галактики огромной силой гравитационных волн. Объект, обнаруженный космическим телескопом «Хаббл», является самой массивной черной дырой с массой более одного миллиарда Солнц из когда-либо обнаруженных. Исследователи подсчитали, что для этого понадобилась бы энергия, эквивалентная одновременному взрыву 100 миллионов сверхновых звезд.

• Астрономы могли пропустить большинство гамма-всплесков
• Ученые обнаружили гравитационные волны во второй раз

Наиболее правдоподобным объяснением этой движущей энергии является удар гравитационными волнами, вызванными слиянием двух массивных черных дыр в центре галактики.

Космический телескоп «Хаббл» запечатлел изображение квазара 3C 186, выброшенного из центра галактики отдачей от гравитационных волн

Существование гравитационных волн впервые было предсказано в 1916 году Альбертом Эйнштейном на основе общей теории относительности. До этого, пространство и время рассматривались как фиксированные понятия, которые не имеют никакого влияния друг на друга. Общая теория относительности изменила все это путем объединения пространства и времени в единую концепцию, пространства-времени. Идея заключалась в том, что объекты действительно могут деформировать и искривлять пространство-время вокруг них; чем больше объект, тем больше его пространственно-временной отпечаток. И когда эти массивные объекты двигаются, они создают волнообразные ряби пространства-времени, или гравитационные волны. В прошлом году обсерватория LIGO помогла астрономам доказать существование гравитационных волн.

Результаты наблюдения за своенравной черной дырой удивили исследовательскую группу. «Когда я впервые увидел это, то подумал, что мы видим что-то очень своеобразное. Когда мы объединили наблюдения «Хаббла», космической рентгеновской обсерватория «Чандра» и проекта «Слоуновский цифровой небесный обзор», всё указывало на один и тот же сценарий. Собранный объём данных данных — от рентгеновского до ультрафиолетового и ближнего инфракрасного света — определенно больше, чем у любой другой черной дыры», — заявил руководитель команды Марко Чиаберге из Института космического телескопа и Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе.

Изображения космического телескопа «Хаббл», снятые в видимом и ближнем инфракрасном свете, предоставили первый ключ к пониманию необычного характера галактики. На снимках был обнаружен яркий квазар — энергетическая сигнатура черной дыры, находящаяся далеко от галактического ядра. Черные дыры нельзя наблюдать непосредственно, но они являются источником энергии в центре квазаров — интенсивных, компактных излучателей радиации, которые могут затмить всю галактику. Квазар 3C 186 и его галактика находятся в 8 миллиардах световых лет от нас в скоплении галактик.

«Я ожидал увидеть сливающиеся галактики и беспорядочные галактики вокруг квазаров, но я никак не ожидал увидеть квазар, который был явно смещен от ядра правильно сформированной галактики. Черные дыры находятся в центре галактик, поэтому необычно видеть квазар не в центре», — вспоминает Марко Чиаберге.

Команда исследователей вычислила расстояние черной дыры от ядра, сравнивая распределение звездного света в галактике с распределением нормальной эллиптической галактики по компьютерной модели. Черная дыра преодолела расстояние более чем 35 тысяч световых лет от центра, что превышает расстояние между Солнцем и центром Млечного Пути.

На основании спектроскопических наблюдений, проведенных «Хабблом» и «Слоуновским цифровым небесным обзором», исследователи оценили массу черной дыры и измерили скорость газа вблизи объекта. Спектроскопия делит свет на цветные составляющие, которые можно использовать для измерения скоростей в космосе. «К нашему удивлению, мы обнаружили, что газ вокруг черной дыры отлетает от центра галактики со скоростью 7,5 миллиона километров в час», — сообщил один из членов команды исследователей Джастин Эли из Института исследований космоса с помощью космического телескопа. Этот результат характеризует скорость черной дыры, потому что газ гравитационно привязан к монстрообразному объекту.

Астрономы подсчитали, что черная дыра движется так быстро, что преодоление расстояния от Земли до Луны заняло бы три минуты. Это достаточно быстро для того, чтобы черная дыра сбежала из галактики за 20 миллионов лет.

Полученное «Хабблом» изображение предоставило ученым интересную подсказку, которая помогла объяснить расположение черной дыры. Галактика-хозяин обладает слабыми дугообразными чертами, называемыми приливными хвостами, создаваемыми гравитационным буксиром между двумя сталкивающимися галактиками. Это свидетельствует о возможном союзе системы 3С 186 и другой галактики, в центре каждой из которых находились массивные черные дыры, которые, возможно, в конечном итоге слились в одну гигантскую черную дыру.

Основываясь на этом свидетельстве, наряду с теоретической работой, исследователи разработали сценарий, описывающий, как гигантскую черную дыру можно было исключить из галактики.

© NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

По клику иллюстрация откроется в новом окне в максимальном разрешении

Иллюстрация выше показывает, как гравитационные волны могут выталкивать черную дыру из центра галактики. Сценарий начинается с объединения двух галактик, в центре каждой из которых находится черная дыра. Далее две черные дыры в недавно слившейся галактике оседают в центре и начинают крутиться друг вокруг друга. Это энергичное взаимодействие производит гравитационные волны. Поскольку два здоровенных объекта продолжают излучать гравитационную энергию, они со временем сближаются друг с другом. Если черные дыры не имеют одинаковой массы и скорости вращения, они сильнее излучают гравитационные волны в одном направлении. Наконец, черные дыры сливаются в одну гигантскую черную дыру. Энергия, излучаемая слиянием, выталкивает черную дыру от центра в противоположном гравитационным волнам направлении.

Исследователям повезло обнаружить это уникальное событие, потому что не каждое слияние черных дыр создает несбалансированные гравитационные волны, которые выбрасывают черную дыру в противоположном направлении. «Эта асимметрия зависит от таких свойств, как масса и относительная ориентация осей вращения черных дыр перед слиянием. Вот почему эти объекты так редки», — сообщил член команды Колин Норман из Института исследований космоса с помощью космического телескопа и Университета Джонса Хопкинса.

Альтернативное объяснение смещенного квазара, хотя и маловероятное, предполагает, что яркий объект не находится в пределах галактики. Квазар расположен за галактикой, но изображение космического телескопа «Хаббл» дает иллюзию, что он находится на том же расстоянии, что и галактика. Если бы это было так, исследователям следовало бы обнаружить галактику на заднем плане, где находится квазар. Если интерпретация исследователей верна, наблюдения могут дать убедительные доказательства того, что сверхмассивные черные дыры действительно могут сливаться. У астрономов есть доказательства столкновения черных дыр звездной массы, но процесс, регулирующий сверхмассивные черные дыры, более сложен и не до конца понятен.

Команда исследователей надеется снова использовать «Хаббл» в сочетании с комплексом телескопов Atacama Large Millimeter Array и другими обсерваториями, чтобы более точно измерить скорость черной дыры и ее газового диска, что может дать более полное представление о природе этого причудливого объекта.