Як злиття чорних дір може їх «виштовхувати»

У центрах великих галактик зазвичай містяться надмасивні чорні діри з масами у мільйони або мільярди мас Сонця. Коли галактики зливаються, їхні центральні чорні діри зближуються, утворюють подвійні системи, випромінюють гравітаційні хвилі та зрештою зливаються в одну більшу чорну діру.

У фінальні миті такого злиття гравітаційні хвилі можуть випромінюватися нерівномірно в різні боки. Через це новоутворена чорна діра отримує «удар» — віддачу, або рекойл, і може розігнатися до швидкостей у кілька мільйонів кілометрів на годину. Якщо імпульс недостатній, щоб повністю викинути її з галактики, вона починає довгу маятникоподібну орбіту навколо центру, швидко проходячи крізь ядро, а потім сповільнюючись і повертаючись назад.

Що саме вимірювали в квазарах

Команда використала дані огляду Sloan Digital Sky Survey, щоб перевірити передбачення, сформульоване членами цієї ж групи ще у 2016 році. Для цього їм потрібні були два типи вимірювань для кожного квазара.

Перше — швидкість чорної діри відносно її галактики. Газ, що знаходиться дуже близько до чорної діри, рухається разом із нею, тоді як газ на більших відстанях не повторює цей рух повністю. Світло від цих областей трохи зміщується одне відносно одного, і за цими зсувами можна оцінити рух центрального джерела. Це схоже на зміну висоти звуку сирени швидкої допомоги, коли вона наближається або віддаляється: невеликі зміни у спектрі світла показують, чи рухається чорна діра відносно оточення.

Друге вимірювання стосувалося пилу. Якщо навколо чорної діри багато пилу, світло квазара виглядає червонішим порівняно з подібними, але менш запиленими об’єктами. Ступінь «почервоніння» дає уявлення про те, наскільки сильно пил приховує активне ядро.

У комп’ютерній моделі, опублікованій у 2016 році, Петер Раффай (Peter Raffai), Золтан Гайман (Zoltán Haiman) та Жолт Фрей (Zsolt Frei) передбачили, що квазари з «відскакуючими» чорними дірами мають демонструвати зв’язок між швидкістю та пилом. За моделлю, чорна діра рухається найшвидше саме в центральній, найбільш запиленій області галактики, тож квазари з швидшими чорними дірами мають у середньому бути червонішими.

Статистичний підхід замість «унікальних» кандидатів

Для перевірки цієї ідеї дослідники відібрали близько 100 000 квазарів із каталогу Sloan Digital Sky Survey з достатньо якісними даними. Вони оцінили швидкість чорної діри та «червоність» кожного квазара і перевірили, чи змінюються ці величини узгоджено.

Передбачений зв’язок проявився: квазари з швидшими чорними дірами виявилися в середньому червонішими, тобто більш запиленими. Через природні відмінності між окремими квазарами цей ефект важко побачити в одному об’єкті, але на великій вибірці він стає статистично значущим.

Найяскравіший контраст спостерігався серед найбільш запилених квазарів: частка сильно затемнених пилом об’єктів була утричі вищою серед квазарів із найшвидшими чорними дірами, ніж серед тих, де чорні діри рухаються найповільніше.

Провідний автор роботи, Бенце Бечі (Bence Bécsy) з Університету Бірмінгема, підкреслює, що головний крок уперед — це саме пошук статистичних слідів популяції, а не доказ для одного «кандидата». Окремі об’єкти можуть мати альтернативні пояснення, тоді як узгоджений сигнал у великій вибірці важче віднести до випадковості.

Перевірки, обмеження та можливі пояснення

Команда провела низку перевірок, щоб з’ясувати, чи не залежить результат від способу відбору даних або методики вимірювань. Зв’язок між швидкістю та пилом зберігався, коли дослідники змінювали ці процедури.

Однак, коли вони використали лише світло від газових хмар, що не рухаються разом із чорною дірою, сигнал зник. Це вказує, що ефект пов’язаний саме з випромінюванням з області, яка слідує за рухом чорної діри, як і очікується у випадку рекойлу.

Попри це, автори наголошують, що повністю виключити інші фізичні процеси поки неможливо. Потрібні додаткові спостереження та детальніші моделі, щоб уточнити інтерпретацію.

Найприродніше пояснення нинішнього результату — те, що частина квазарів у вибірці містить надмасивні чорні діри, зміщені від центру галактики внаслідок недавнього злиття. Якщо це так, сила статистичного сигналу натякає, що у приблизно половині досліджених квазарів два чорні діри злилися відносно нещодавно. Водночас це лише непрямий висновок із популяційного зв’язку, а не прямий підрахунок злиттів, і автори підкреслюють, що така оцінка залишається невизначеною.

Зв’язок із майбутніми спостереженнями гравітаційних хвиль

Результати можуть бути важливими для майбутньої гравітаційно-хвильової астрономії. Європейське космічне агентство планує запустити в 2035 році космічну обсерваторію LISA — три апарати, що рухатимуться у формації на відстані 2,5 млн км один від одного. LISA має безпосередньо реєструвати гравітаційні хвилі від злиттів надмасивних чорних дір — саме тих подій, які можуть породжувати рекойл, виявлений у даних про квазари.

Якщо спостережуваний зв’язок справді зумовлений «відскоком» чорних дір, це означає, що недавні злиття відбуваються у значній частині квазарів. Така оцінка допомагає прогнозувати, скільки подібних подій LISA потенційно зможе зареєструвати.

Дослідники ELTE працюють над підготовкою до місії LISA ще з 2006 року, зокрема над моделями гравітаційно-хвильових сигналів, які дозволять витягувати з них інформацію про маси чорних дір, відстані до них та їхню подальшу еволюцію.

Проєкт також демонструє прямий зв’язок між теоретичним передбаченням і великим спостережним тестом. У 2016 році Раффай, Гайман і Фрей за допомогою комп’ютерних моделей показали, як статистично виявити сигнатури осцилюючих, «відскакуючих» чорних дір в активних галактичних ядрах. Через десять років Бечі разом із Раффаєм, Гайманом, Андором Будаї (Andor Budai) та Фреєм перевірили це передбачення на реальних спостереженнях квазарів.

Отриманий результат дає сильну статистичну підтримку існуванню передбаченого популяційного сигналу, але залишає відкритими питання про історію окремих чорних дір, точну частоту злиттів і майбутні детальні оцінки за допомогою гравітаційних хвиль. Для остаточних висновків потрібні нові спостереження та моделювання.

Опитування квазарів виявило сліди відскоку надмасивних чорних дір з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com