Первое обнаружение вторичной сверхмассивной черной дыры в двойной системе

В недавнем исследовании астрономы обнаружили свидетельства того, что две сверхмассивные черные дыры вращаются друг вокруг друга благодаря сигналам, исходящим от джетов, связанных с аккрецией вещества в обе черные дыры. Галактика, или квазар, как ее технически называют, получила имя OJ287, и она наиболее тщательно изучена и лучше всего понимается как двойная система черных дыр. В небе черные дыры расположены так близко друг к другу, что сливаются в одну точку. Тот факт, что точка на самом деле состоит из двух черных дыр, становится очевидным, если обнаружить, что она излучает два разных типа сигналов. Результаты были опубликованы в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества.

Активная галактика OJ 287 лежит в направлении созвездия Рака на расстоянии около 5 миллиардов световых лет и наблюдается астрономами с 1888 года. Уже более 40 лет назад астроном из Университета Турку Аймо Силланпаа и его сотрудники заметили, что в её эмиссии есть заметная закономерность, которая имеет два цикла, один из которых составляет около 12 лет, а другой - около 55 лет. Они предположили, что два цикла являются результатом орбитального движения двух черных дыр друг вокруг друга. Более короткий цикл - орбитальный, а более длинный - результат медленной эволюции ориентации орбиты.

Орбитальное движение проявляется серией вспышек, возникающих, когда вторичная черная дыра регулярно проходит через аккреционный диск первичной черной дыры со скоростью, которая на долю секунды меньше скорости света. Это погружение вторичной черной дыры нагревает материал диска, и горячий газ высвобождается в виде расширяющихся пузырьков. Этим горячим пузырям требуются месяцы, чтобы остыть, пока они излучают и вызывают вспышку света, которая длится примерно две недели и ярче триллиона звезд.

После десятилетий усилий по оценке времени погружения вторичной черной дыры через аккреционный диск астрономы из Университета Турку в Финляндии во главе с Маури Валтоненом и Ачамведу Гопакумаром из Института фундаментальных исследований Тата в Мумбаи, Индия, и другие смогли смоделировать орбиту и точно предсказать, когда эти вспышки произойдут.

Успешные наблюдательные кампании в 1983, 1994, 1995, 2005, 2007, 2015 и 2019 годах позволили команде наблюдать предсказанные вспышки и подтвердить наличие пары сверхмассивных черных дыр в OJ 287.

«Общее количество предсказанных вспышек сейчас составляет 26, и почти все они наблюдались. Большая черная дыра в этой паре весит более чем в 18 миллиардов раз больше массы нашего Солнца, в то время как компаньон примерно в 100 раз легче, к тому же их орбиты продолговатые, а не круглые», — говорит профессор Ачамвиду Гопакумар.

Несмотря на эти усилия, астрономы не смогли наблюдать прямой сигнал от меньшей черной дыры. До 2021 года о ее существовании можно было судить только косвенно по вспышкам и по тому, как она заставляет колебаться джет более крупной черной дыры.

«Две черные дыры находятся в небе так близко друг к другу, что их невозможно увидеть по отдельности, они сливаются в одну точку в наших телескопах. Только если мы видим отчетливо отдельные сигналы от каждой черной дыры, то можем сказать, что у нас есть на самом деле», говорит ведущий автор, профессор Маури Валтонен.

Интересно, что наблюдательные кампании OJ 287 в 2021/2022 гг. с использованием большого количества телескопов различных типов позволили исследователям впервые получить наблюдения вторичной черной дыры, погружающейся через аккреционный диск, и сигналов, исходящих от меньшей черной дыры.

«Период 2021/2022 гг. имел особое значение в изучении OJ287. Ранее было предсказано, что в этот период вторичная черная дыра совершит погружение сквозь аккреционный диск своего массивного компаньона. Ожидалось, что это погружение вызовет очень синюю вспышку сразу после удара, и ее действительно наблюдали в течение нескольких дней после предсказанного времени Мартин Елинек и его коллеги из Чешского технического университета и Астрономического института Чехии», — говорит профессор Маури Валтонен.

Но было два больших сюрприза — новые типы вспышек, которые раньше не регистрировались. Первую из них увидел только во время подробной наблюдательной кампании Сташек Золя из Ягеллонского университета в Кракове, Польша, и не зря. Золя и его команда наблюдали большую вспышку, производящую в 100 раз больше света, чем целая галактика, и она длилась всего один день.

«Согласно оценкам, вспышка произошла вскоре после того, как меньшая черная дыра получила массивную дозу нового газа для поглощения во время погружения. Именно процесс поглощения приводит к внезапному повышению яркости OJ287. Считается, что этот процесс усилил джет, который вылетает из меньшей черной дыры OJ 287. Подобное событие было предсказано десять лет назад, но до сих пор не подтверждено», — объясняет Валтонен.

Второй неожиданный сигнал исходил от гамма-лучей, и его наблюдал телескоп Ферми НАСА. Самая большая вспышка гамма-излучения в OJ287 за шесть лет произошла как раз тогда, когда меньшая черная дыра прошла сквозь газовый диск первичной черной дыры. Джет меньшей черной дыры взаимодействует с газом диска, и это взаимодействие приводит к образованию гамма-лучей. Чтобы подтвердить эту идею, исследователи выяснили, что подобная вспышка гамма-излучения уже имела место в 2013 году, когда маленькая черная дыра в последний раз провалилась сквозь газовый диск, если смотреть с того же направления.

"Так что насчет однодневного всплеска, почему мы его раньше не видели? OJ287 фиксируется на фотографиях с 1888 года и интенсивно отслеживается с 1970 года. Получается, что нам просто не повезло. OJ287 никто не наблюдал в те ночи, когда она выполняла свой трюк на одну ночь. И без интенсивного наблюдения со стороны группы Золя мы бы пропустили его и в этот раз», — заявляет Валтонен.

Эти усилия делают OJ 287 лучшим кандидатом на роль пары сверхмассивных черных дыр, которая посылает гравитационные волны на наногерцовых частотах. Кроме того, за OJ 287 регулярно наблюдают консорциумы Event Horizon Telescope (EHT) и Global mm-VLBI Array (GMVA) для поиска дополнительных доказательств присутствия пары сверхмассивных черных дыр в центре и, в частности, для попытайтесь получить радиоизображение вторичного джета.