Сверхмассивные чёрные дыры находятся в центрах почти всех крупных галактик, перевешивая космические весы в миллионы или даже миллиарды раз больше массы Солнца. Как они становятся такими большими, остаётся упрямой загадкой: аккреция газа из окружающей среды — один из путей, но, по-видимому, слишком медленный, чтобы объяснить самые крупные экземпляры. Слияние с другими массивными чёрными дырами — ведущий кандидат на недостающее объяснение.

Столкновения галактик распространены по всей Вселенной, поэтому их центральные чёрные дыры тоже должны в конечном итоге сближаться. Ожидается, что при слиянии двух галактик их чёрные дыры сближаются, начинают обращаться друг вокруг друга и постепенно сближаются по спирали, пока не объединятся. Однако моделирование этих финальных стадий остаётся головной болью, и астрономы никогда надёжно не идентифицировали пару сверхмассивных чёрных дыр, обращающихся чрезвычайно близко друг к другу, — несмотря на обилие свидетельств столкновений галактик.

Теперь международная исследовательская группа под руководством Зильке Бритцен из Института радиоастрономии Макса Планка (MPIfR) в Бонне обнаружила прямые наблюдательные доказательства, указывающие на именно такую пару в центре галактики Mrk 501. Результаты приняты к публикации в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society и запланированы к выходу в ближайшем выпуске.

Астрономы давно знают, что центральная чёрная дыра Mrk 501 испускает интенсивный джет частиц в космос почти со скоростью света, питаемый экстремальными условиями и мощными магнитными полями вокруг чёрной дыры. Чтобы исследовать систему, учёные изучили детальные радио наблюдения на нескольких частотах, собранные в десятки отдельных дней за примерно 23 года. Обширный набор данных выявил нечто примечательное: рядом с известным джетом был второй джет, движение которого также можно было отследить.

Наблюдения дают то, что исследователи называют первым прямым визуальным доказательством такой системы в центре галактики, что убедительно свидетельствует о присутствии второй сверхмассивной чёрной дыры. Сами две чёрные дыры остаются слишком близко друг к другу на небе, чтобы их можно было разрешить по отдельности.

«Мы искали это так долго, и затем это стало полной неожиданностью, что мы смогли не только увидеть второй джет, но даже отследить его движение», — сообщает Бритцен.

Две сверхмассивные чёрные дыры в космическом танце

Ранее известный джет направлен к Земле, что делает его исключительно ярким и относительно легко наблюдаемым. Новый идентифицированный джет указывает в другом направлении, что помогает объяснить, почему он так долго оставался скрытым.

Всего за несколько недель наблюдений астрономы заметили драматические изменения в положении второго джета. Казалось, он появляется из-за большей чёрной дыры и описывает вокруг неё дугу против часовой стрелки. Движение повторялось, предполагая, что вся система совершает регулярное орбитальное движение.

«Оценка данных ощущалась как пребывание на корабле. Вся система джетов находится в движении. Система из двух чёрных дыр может это объяснить: орбитальная плоскость покачивается», — объясняет Бритцен.

Исследователи также выявили необычное событие в июне 2022 года, когда излучение от системы, по-видимому, образовало кольцо. Это явление, известное как кольцо Эйнштейна, возникает, когда гравитация искривляет свет, создавая кольцеобразный вид. Одно из возможных объяснений: две чёрные дыры и Земля на короткое время выстроились именно так, что гравитация передней чёрной дыры действовала как линза, искривляя свет от второго джета позади неё. Этот эффект, называемый гравитационным линзированием, предлагает ещё одну потенциальную подсказку о природе системы.

Две чёрные дыры могут слиться всего через 100 лет

Изучая изменения в джетах и повторяющиеся закономерности в их яркости, команда рассчитала, что две чёрные дыры, по-видимому, совершают оборот друг вокруг друга примерно каждые 121 день. Их предполагаемое расстояние составляет всего от 250 до 540 раз больше расстояния между Землёй и Солнцем — что звучит огромно, пока не вспомнишь, что эти объекты имеют массы от 100 миллионов...