Есть ли у сверхмассивных черных дыр друзья? Природа образования галактик предполагает, что ответ — да, и на самом деле пары сверхмассивных черных дыр должны быть обычными вещами во вселенной.
Я астрофизик (Смадар Наоз) и меня интересует широкий круг теоретических проблем в астрофизике, от образования самых первых галактик до гравитационных взаимодействий черных дыр, звезд и даже планет. Черные дыры — это интригующие системы, а сверхмассивные черные дыры и окружающая их плотная звездная среда представляют собой одно из самых экстремальных мест в нашей вселенной.
Сверхмассивная черная дыра, которая скрывается в центре нашей галактики, называемая Sgr A, имеет массу, примерно в 4 миллиона раз превышающую массу нашего Солнца. Черная дыра — это место в пространстве, где гравитация настолько сильна, что ни частицы, ни свет не могут уйти от нее. Окружающая среда Sgr A представляет собой плотное скопление звезд. Точные измерения орбит этих звезд позволили астрономам подтвердить существование этой сверхмассивной черной дыры и измерить ее массу. На протяжении более 20 лет ученые наблюдали за орбитами этих звезд вокруг сверхмассивной черной дыры. Исходя из того, что мы с коллегами исследовали, мы можем сказать, что если там есть вторая черная дыра поблизости, то ее масса в 100 000 раз больше массы нашего Солнца.
Почти каждая галактика, входящая в состав нашего Млечного Пути, имеет в своем сердце сверхмассивную черную дыру с массами от миллионов до миллиардов масс нашего Солнца. Астрономы все еще изучают, почему сердце галактик часто содержит сверхмассивную черную дыру. Одна очень популярная версия связана с возможностью того, что у сверхмассивных дыр есть друзья.
Чтобы понять эту идею, нам нужно вернуться к тому времени, когда Вселенной было около 100 миллионов лет, к эпохе самых первых галактик. Они были намного меньше современных галактик, и примерно в 10 000 и более раз менее массивными, чем Млечный путь. Внутри этих самых ранних галактик, находились самые первые умершие звезды, создали черные дыры, массой от десятков до тысяч масс Солнца. Эти черные дыры утонули в центре тяжести, сердце их галактики. Поскольку галактики развиваются путем слияния и столкновения друг с другом, столкновения между галактиками приводят к появлению сверхмассивных пар чёрных дыр — ключевой части этой истории. Затем черные дыры сталкиваются и увеличиваются в размерах. Черная дыра, которая в миллион раз больше массы нашего Солнца, считается сверхмассивной.
Гравитационные рывки этих «друзей» будут оказывать влияние на близлежащие звезды, нарушая их орбиты. Две сверхмассивные черные дыры, вращающиеся вокруг друг друга, и в то же время каждая из них оказывает свое влияние на звезды вокруг нее.
Силы гравитации от черных дыр притягивают эти звезды и заставляют их менять свою орбиту; иными словами, после одного оборота вокруг сверхмассивной пары чёрных дыр звезда не вернется точно в ту точку, с которой она ушла.
Используя наше понимание гравитационного взаимодействия между возможной парой сверхмассивной черной дыры и окружающими звездами, астрономы могут предсказать, что произойдет со звездами. Астрофизики, такие как я и мои коллеги, могут сравнить наши прогнозы с наблюдениями, а затем определить возможные орбиты звезд и выяснить, есть ли у сверхмассивной черной дыры друг, который оказывает гравитационное влияние.
Используя хорошо изученную звезду, называемую S0-2, которая обращается вокруг сверхмассивной черной дыры, лежащей в центре нашей галактики каждые 16 лет, мы уже можем исключить идею, что существует вторая сверхмассивная черная дыра с массой, превышающей 100 000 масс нашего Солнца. Если бы был такой «друг», то я и мои коллеги обнаружили бы его влияние на орбиту звезды SO-2.
Сверхмассивные черные дыры в последнее время привлекают большое внимание. В частности, недавнее изображение такого гиганта в центре галактики как M87. Это открытие открыло новое окно для понимания физики за черными дырами.
Близость галактического центра Млечного Пути — всего в 24 000 световых лет — создает уникальную лабораторию для решения проблем фундаментальной физики сверхмассивных черных дыр. Например, такие астрофизики, как я, хотели бы понять их влияние на центральные области галактик и их роль в формировании и эволюции галактик. Обнаружение пары сверхмассивных черных дыр в центре галактики будет указывать на то, что Млечный Путь слился с другой, возможно, меньшей галактикой в прошлом.
Это еще не все, что может сказать нам наблюдение за окружающими звездами. Измерения звезды S0-2 позволили ученым провести уникальную проверку общей теории относительности Эйнштейна. В мае 2018 года S0-2 приблизился к сверхмассивной черной дыре на расстоянии, примерно в 130 раз превышающем расстояние Земли от Солнца. Согласно теории Эйнштейна, длина волны света, излучаемого звездой, должна растягиваться, когда она поднимается из глубокой гравитационной ямы сверхмассивной черной дыры.
Длина волны растяжения, предсказанная Эйнштейном, которая делает звезду более красной, была обнаружена и доказывает, что теория общей теории относительности точно описывает физику в этой крайней гравитационной зоне. Я с нетерпением жду второго ближайшего приближения S0-2, которое произойдет примерно через 16 лет, потому что такие астрофизики, как я, смогут проверить больше предсказаний Эйнштейна об общей теории относительности, включая изменение ориентации удлиненной орбиты звезд, Но если у сверхмассивной черной дыры есть друг, то это может изменить ожидаемый результат.
Наконец, если две массивные черные дыры вращаются вокруг друг друга в центре галактики, как предполагает моя команда, возможно, они будут излучать гравитационные волны. С 2015 года обсерватории LIGO-Virgo регистрируют излучение гравитационных волн от сливающихся черных дыр звездной массы и нейтронных звезд. Эти новаторские открытия открыли новый способ для ученых ощутить вселенную.
Любые волны, испускаемые нашей гипотетической парой чёрных дыр, будут на низких частотах, слишком низких, чтобы детекторы LIGO-Virgo могли их воспринимать. Но запланированный космический детектор, известный как LISA, может обнаружить эти волны, что поможет астрофизикам выяснить, является ли наша черная дыра в центре галактики одинокой или имеет друга.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение