Пил навколо квазарів видає втікачів надмасивних чорних дір

Уявіть собі чорну діру, яка настільки потужно «відштовхується» під час злиття, що вилітає з центру галактики, мов камінь із рогатки. Нове дослідження, про яке розповідає SciTechDaily, показує: слід із пилу та газу навколо квазарів може видати таких космічних утікачів — надмасивні чорні діри, вибиті зі своїх галактичних домівок.

Що відомо коротко

• Коли галактики зливаються, їхні надмасивні чорні діри (SMBH) можуть об’єднуватися в одну.
• Через асиметричне випромінювання гравітаційних хвиль нова чорна діра може отримати «удар» і вилетіти з центру галактики.
• Команда астрономів виявила статистичний зв’язок між швидкістю квазара та кількістю пилу, що його оточує.
• Цей зв’язок з’являється лише там, де газ має рухатися разом із чорною дірою, і зникає там, де газ має лишатися позаду.
• За оцінками авторів, до 50% відомих квазарів можуть бути наслідком недавніх злиттів чорних дір.

Як чорну діру може «вибити» з галактики

У центрі більшості галактик сидять надмасивні чорні діри — об’єкти з масами в мільйони чи мільярди разів більшими за масу Сонця. Коли дві галактики стикаються, їхні центральні чорні діри починають гравітаційний «танець», зближуючись по спіралі, поки не зіллються в одну.

За загальною теорією відносності Ейнштейна, під час такого злиття в простір вириваються гравітаційні хвилі — коливання самої тканини простору-часу. Якщо маси або обертання двох чорних дір різні, хвилі несуть більше імпульсу в один бік, ніж в інший. У результаті новонароджена чорна діра отримує «поштовх» у протилежному напрямку.

У крайніх випадках цей гравітаційний «удар» може розігнати чорну діру до сотень або навіть тисяч кілометрів на секунду. Це достатньо, щоб вона відірвалася від центру галактики і почала мандрувати крізь її зоряні простори.

Пил як слід утікача: що саме тягне за собою чорна діра

Нове дослідження зосередилося не на самій чорній дірі, а на тому, що вона забирає з собою. Надмасивні чорні діри в активних галактичних ядрах оточені акреційним диском — розпеченим газом і пилом, який обертається дуже близько до горизонту подій.

Внутрішні шари цього диска пов’язані з так званою областю широких ліній — регіоном, де швидко рухомий газ випромінює характерні спектральні лінії. Через великі швидкості ці лінії розтягуються та зміщуються завдяки ефекту Доплера.

Дослідники припустили: якщо чорну діру «вибиває» з центру галактики, вона має потягнути за собою щільно прив’язану внутрішню частину диска разом із газом області широких ліній. А от більш віддалений газ, що утворює область вузьких ліній, має залишитися на місці в центрі галактики.

Якщо це так, то швидкість «утікача» можна пов’язати з тим, скільки пилу все ще оточує квазар. Іншими словами, пил стає своєрідним «димовим слідом» чорної діри, що тікає.

Що саме знайшли астрономи

Команда проаналізувала квазари — надзвичайно яскраві активні галактичні ядра, в яких надмасивна чорна діра активно поглинає речовину. Вони вимірювали <strongзміщення швидкості квазарів, тобто те, наскільки їхні спектральні лінії зсунуті через рух відносно нас, і порівнювали це з кількістю пилу, що їх оточує.

Результат виявився «скромним, але дуже значущим»: між швидкістю квазара та кількістю навколишнього пилу знайшли позитивну кореляцію. Чим більший швидкісний зсув, тим більше пилу, пов’язаного з об’єктом. Це узгоджується з ідеєю, що частина диска та пилу рухається разом із чорною дірою, яку вибило з центру.

Щоб переконатися, що це не статистична випадковість, дослідники повторили аналіз, використавши лише області вузьких ліній, які, за моделлю, мають залишатися в центрі галактики й не рухатися разом із чорною дірою. У цьому випадку кореляція зникла — саме так, як і очікувалося, якщо сигнал справді пов’язаний із «утікаючими» чорними дірами.

Однак у роботі з’явилася й загадка. Надмасивні чорні діри, які виглядають синьо-зсунутими (тобто рухаються у наш бік), виявилися більш затемненими пилом, ніж ті, що віддаляються. Це протилежно до того, що передбачає проста модель чистого «відскоку» чорної діри.

Автори пропонують кілька можливих пояснень: від систематичних похибок у тому, як саме підганяються спектральні лінії, до додаткових, ще не до кінця зрозумілих фізичних процесів, які впливають на чорну діру та її оточення одночасно. Остаточної відповіді поки немає.

Чому це важливо для майбутніх спостережень

Автори наголошують: їхній результат — це кореляція, а не доведений причинний зв’язок. Проте він дає натяк на те, як можуть виглядати наслідки злиття надмасивних чорних дір, які випромінюють гравітаційні хвилі.

У майбутньому, коли запрацюють космічні гравітаційно-хвильові обсерваторії на кшталт місії LISA Європейського космічного агентства, астрономи зможуть безпосередньо фіксувати злиття надмасивних чорних дір. Якщо до того часу буде відпрацьовано «пиловий» метод пошуку утікачів, можна буде поєднати гравітаційно-хвильові сигнали з оптичними та інфрачервоними спостереженнями квазарів.

За оцінками дослідників, до половини відомих квазарів можуть бути наслідком відносно недавніх злиттів чорних дір. Якщо це так, майбутні космічні обсерваторії отримають справжню скарбницю даних, а астрономи — шанс простежити шлях цих «космічних титанів», що мчать крізь галактики.

FAQ

Це вже доведено, що ми бачимо саме «утікаючі» чорні діри?

Ні. Дослідження показує статистичну кореляцію між швидкістю квазара та кількістю пилу, але це ще не прямий доказ. Потрібні подальші спостереження й незалежні методи, зокрема гравітаційно-хвильові вимірювання, щоб упевнено сказати, що йдеться саме про чорні діри, вибиті з центрів галактик.

Чому астрономи так довго шукали ці «втікаючі» чорні діри?

Такі об’єкти дуже важко ідентифікувати: вони маленькі за розмірами, але можуть бути дуже далекими, а їхнє зміщення від центру галактики не завжди легко помітити. До того ж багато ефектів, як-от рух газу чи пилу, можуть маскувати або імітувати сигнали, які очікують від «утікача».

Як гравітаційні хвилі допоможуть підтвердити цю картину?

Гравітаційні хвилі безпосередньо несуть інформацію про злиття чорних дір: їхні маси, обертання та геометрію злиття. Якщо вдасться поєднати гравітаційно-хвильовий сигнал конкретного злиття з подальшими спостереженнями квазара, що має характерний пиловий слід і швидкісний зсув, це стане дуже сильним підтвердженням моделі «відскоку».

Чи можуть такі «утікаючі» чорні діри повністю покинути свою галактику?

У найекстремальніших випадках теорія дозволяє швидкості, достатні для втечі не лише з центру, а й із усієї галактики. Однак такі сценарії мають бути рідкісними. Більшість чорних дір, ймовірно, залишаються гравітаційно пов’язаними з галактикою, але рухаються в ній по складних орбітах.

Якщо пил

Пил навколо квазарів видає втікачів надмасивних чорних дір з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com