В сталкивающихся галактиках найдены тесные пары сверхмассивных черных дыр

Рис. 1. Пара галактик под общим названием Arp 148 прошла друг сквозь друга. У левой галактики (на фото она летит «плашмя»), столкновение сдуло центральную часть, оставив только кольцо из звезд и газа, а у правой (она обращена к нам «в профиль»), приливные силы изогнули плоскость диска. Огромное количество уплотнений голубого цвета — это области активного звездообразования, которые скорее всего были активизированы именно столкновением галактик. Изображение с сайта spacetelescope.org

Взаимодействующие галактики изучаются уже не одно десятиление, 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.

Рис. 2. Иногда галактики сталкиваются и триплетом. Система Arp 274, запечатленная телескопом «Хаббл», именно такая. Галактики только начали столкновение — формы их центральных областей еще не изменились, а вот внешние рукава уже деформировались под действием приливных сил. Изображение с сайта trustmyscience.com

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.

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»).

Рис. 3. Сегментированное зеркало телескопа Кека диаметром 10 метров. Фото с сайта keckobservatory.org

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).

Рис 4. Слева вверху — NGC 6240, один из примеров сливающихся галактик, обнаруженных телескопом «Хаббл». Обеим галактикам присвоено одно имя, потому что в 1880-х годах, когда составлялся каталог NGC, система была видна как одна галактика, хотя и крайне необычная. Снимки в ближнем ИК-диапазоне демонстрируют два сближающихся активных ядра, внутри которых находится по сверхмассивной черной дыре. Для каждой пары нижних снимков левый получен телескопом Pan-STARRS, а правый — камерой NIRC2 на телескопе Кека с применением адаптивной оптики. СМЧД на каждом снимке удалены друг от друга примерно на 1000 парсек и должны столкнуться в ближайшие 10 миллионов лет. Изображения с сайта nasa.gov

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 (см. новость Что мы узнали об эволюции галактик за последние 20 лет, «Элементы», 17.08.2018). 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, 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 (рис. 5).

Рис. 5. Шкала орбитальных периодов объектов, которые регистрируют существующие гравитационные детекторы или которые они смогут регистрировать в будущем. Наземные интерферометры LIGO и VIRGO способны увидеть слияние черных дыр солнечной массы, в то время как для регистрации слияния сверхмассивных черных дыр необходимы космические детекторы вроде проектируемого интерферометра eLISA или использование быстровращающихся пульсаров как источников точного времени. Изображение с сайта imagine.gsfc.nasa.gov

Источник: Michael J. Koss, Laura Blecha, Phillip Bernhard, Chao-Ling Hung, Jessica R. Lu, Benny Trakthenbrot, Ezequiel Treister, Anna Weigel, Lia F. Sartori, Richard Mushotzky, Kevin Schawinski, Claudio Ricci, Sylvain Veilleux & David B. Sanders. A population of luminous accreting black holes with hidden mergers // Nature. 2018. DOI: 10.1038/s41586-018-0652-7.

Марат Мусин