Зазвичай надмасивні чорні діри розташовані в центрах великих галактик. Але вже достатньо давно науковці підозрюють, що їх може звідти викидати. І нещодавно вони знайшли цьому підтвердження.
Надмасивні чорні діри, викинуті зі своїх позицій
Аналізуючи дані про майже 100 000 квазарів, або надзвичайно яскравих ядер галактик, дослідники з Університету Етвеша Лоранда (ELTE) знайшли статистичні докази того, що деякі надмасивні чорні діри в центрах галактик викидаються зі своїх позицій після формування. Виявлені закономірності члени цієї наукової групи — Петер Раффай, Жолт Фрай та Золтан Гайман — передбачили ще 10 років тому. Нове дослідження очолив Бенс Бечі, випускник ELTE, який нині працює в Бірмінгемському університеті. Про це повідомляє сайт Phys.org.
У центрі кожної великої галактики розташована надмасивна чорна діра, маса якої може бути у мільйони або навіть мільярди разів більшою за сонячну. Коли дві галактики зливаються, їхні центральні чорні діри також наближаються одна до одної, утворюють подвійну систему, випромінюють гравітаційні хвилі та зрештою зливаються, залишаючи після себе ще більшу чорну діру.
У фінальні моменти злиття виникають надзвичайно потужні гравітаційні хвилі. Якщо ці хвилі не випромінюються рівномірно у всіх напрямках, залишкова чорна діра отримує сильний «поштовх», схожий на віддачу від пострілу з гармати. Швидкість чорної діри може досягати кількох мільйонів кілометрів на годину, викидаючи її з центру галактики.
Однак відкинута чорна діра просто так не зникає. Якщо удар не достатньо сильний, щоб викинути її з галактики повністю, чорна діра повертається назад, мчить через центр галактики, сповільнюється з іншого боку і повертає назад. Потім вона довго коливається навколо галактичного ядра, як маятник. І так само, як маятник рухається найшвидше в найнижчій точці свого коливання, чорна діра також рухається найшвидше, коли проходить через центр галактики.
Згідно із загальною теорією відносності, такий відскок має відбуватися, однак досі це явище не вдалося однозначно підтвердити. Астрономи виявили кілька можливих кандидатів, але в жодному з цих випадків не вдалося виключити альтернативні пояснення.
Отже, у цьому дослідженні не шукали жодного окремого незвичайного об’єкта. Натомість перевірили, чи можна виявити статистичний підпис викинутих чорних дір у даних десятків тисяч квазарів.
Інформація, яку надають квазари про рух чорних дір
Деякі надмасивні чорні діри активні: вони поглинають великі обсяги газу з навколишнього середовища і водночас випромінюють надзвичайно інтенсивне випромінювання. Ці яскраві, активні галактичні ядра відомі як квазари. Їхнє випромінювання містить два види інформації, необхідні дослідникам.
Перший — це швидкість чорної діри. Газ, розташований близько до чорної діри, рухається разом із нею, тоді як газ, що перебуває трохи далі, не рухається. Світло, яке випромінюють ці дві області, трохи зсунуте відносно одне одного, подібно до того, як сирена «швидкої», що наближається, звучить вище чи нижче за тоном, ніж сирена нерухомої «швидкої». Це невелике зміщення дозволяє визначити, з якою швидкістю чорна діра рухається відносно своєї галактики.
Друга інформація стосується кількості пилу. Пил навколо чорної діри надає світлу квазара червонуватого відтінку — приблизно так само, як атмосфера робить червонішим світло Сонця на заході. Якщо квазар червоніший за подібні об’єкти, це означає, що його більше приховує пил.
Прогноз, зроблений в ELTE десять років тому
У 2016 році Раффай, Гайман та Фрай використали комп’ютерні моделі, щоб дослідити, що ми могли б спостерігати, якби в деяких квазарів чорна діра була викинутим об’єктом, що коливається навколо ядра галактики.
Вони дійшли висновку, що має існувати залежність між швидкістю та кількістю пилу: чорна діра рухається найшвидше в центрі галактики, де пил також найбільш густий. Тому квазари зі швидше рухомими чорними дірами, у середньому, мають бути закриті більшою кількістю пилу. Автори вже тоді зазначали, що цю залежність можна дослідити, використовуючи реальні дані з великих каталогів квазарів.
«Наші результати можуть допомогти зрозуміти процеси, що відбуваються у ядерних частинах галактик, і роль, яку в цих процесах відіграють гравітаційні хвилі Ейнштейна», — сказав Раффай, доцент ELTE та головний автор дослідження 2016 року.
Прогноз підтвердився завдяки статистичній вибірці в 100 000 квазарів
Дослідження, яке перевіряло теорію, провели Бесі та його колеги. Науковці проаналізували приблизно 100 000 квазарів із каталогу квазарів Sloan Digital Sky Survey, обираючи об’єкти, для яких були доступні дані достатньо високої якості. Для кожного квазара дослідники визначили швидкість руху чорної діри та ступінь почервоніння його світла, а потім перевірили, чи пов’язані ці показники між собою.
Дані підтвердили закономірність, передбачену 10 років тому: квазари з чорними дірами, що рухаються швидше, у середньому мають червоніше світло, тобто їх сильніше затуляє пил. Природні відмінності між окремими квазарами ускладнюють виявлення цього зв’язку, проте у великій вибірці він виявився статистично дуже сильним. Найпомітніша різниця спостерігається серед найбільш запилених квазарів: частка об’єктів, сильно затулених пилом, утричі більша серед квазарів із найшвидшими чорними дірами, ніж серед тих, де чорні діри рухаються найповільніше.
Суть дослідження науковців полягає в тому, що замість пошуку окремих кандидатів вони статистично шукали сліди цілої популяції. Це дозволило виявити зв’язок, який відповідає теоретичним прогнозам.
Дослідники також провели кілька перевірок результатів. Результати залишалися послідовними при різних методах відбору даних та вимірювань. Проте, коли вони порівнювали лише світло від газових хмар, які не рухаються разом із чорною дірою, позитивна кореляція зникла.
Найприродніше пояснення спостережуваного зв’язку полягає в тому, що деякі квазари в вибірці містять надмасивні чорні діри, викинуті після попереднього злиття. Якщо ця інтерпретація правильна, то сила сигналу також свідчить про те, що дві чорні діри об’єдналися відносно недавно приблизно в половині з вивчених квазарів. Автори, однак, підкреслюють, що ця оцінка залишається невизначеною і що інші фізичні процеси повністю виключені бути не можуть. Потрібні подальші спостереження та більш детальні моделі.
Перспективи подальших досліджень
Результат є першим спостережуваним тестом із використанням великої вибірки прогнозування, сформульованого в ELTE 10 років тому. Якщо подальші дослідження підтвердять цю інтерпретацію, метод також можна буде використовувати для вивчення того, як часто зливаються надмасивні чорні діри, як швидко їх викидають і які середовища їх оточують.
Дослідження викинутих чорних дір також сприяє підготовці до найбільшого майбутнього інструменту для виявлення гравітаційних хвиль. У 2035 році Європейське космічне агентство планує запустити космічну обсерваторію LISA: три космічні апарати, що обертаються у формації на відстані 2,5 мільйона кілометрів (1,6 мільйона миль) один від одного, які безпосередньо фіксуватимуть гравітаційні хвилі від злиттів надмасивних чорних дір. Саме це є точними подіями, сліди яких дослідники зараз ідентифікували у світлі квазарів.
Дослідники ELTE беруть участь у науковій підготовці до місії LISA з 2006 року, і з 2026 року вони продовжать цю роботу в новому форматі. Після рішення Національного офісу з питань досліджень, розвитку та інновацій у серпні буде створено Національну лабораторію космічної науки імені Кáрмана Тодора при ELTE, а обсерваторія Конкольї з Дослідницького центру астрономії та наук про Землю HUN-REN стане співпрацюючою установою.
Чотирирічною програмою керує головний дослідник Фрей. Його дослідження гравітаційних хвиль зосередяться на розробці моделей хвильових форм, які будуть необхідні для отримання інформації про маси чорних дір, відстані та їхнє майбутнє із сигналів LISA. Теперішні результати допомагають закласти основу для питання, на яке LISA може дати остаточну відповідь протягом наступного десятиліття.
«Якщо сигнал дійсно спричинений викинутими чорними дірами, то дві надмасивні чорні діри нещодавно злилися у значній кількості квазарів, що означає, що такі події є поширеними. Це безпосередньо визначає, скільки таких подій LISA може зуміти виявити. Ми запропонували цю ідею у ELTE 10 років тому, а тепер перевірили її самі, під керівництвом Бечсі, який випустився з нашого університету. Лише кільком дослідницьким групам щастить зберегти такий рівень безперервності», — сказав професор Фрей, керівник дослідницької групи HUN-REN–ELTE з позагалактичної астрофізики.
