Блазарный ряд: слияние черных дыр поможет точнее измерить Вселенную

Российские ученые создали методику для изучения систем двойных сверхмассивных черных дыр — объектов, которые образуются при слиянии галактик. Предложенный способ даст возможность рассчитать их массу, размеры орбит, скорости движения, запасы и потери энергии, а также срок жизни, оставшийся до слияния. Черные дыры в момент сближения — мощный источник гравитационных волн. Они в свою очередь представляют собой канал информации, освоение которого, в частности, позволит достоверно измерить расширение Вселенной, понять природу пространства-времени и создать сверхточные измерительные приборы нового поколения.

Как находят двойные черные дыры

В центре большинства галактик, включая Млечный Путь, находятся сверхмассивные черные дыры. Это объекты с массами от сотен тысяч до миллиардов масс Солнца. При слиянии галактик они образуют двойные системы, которые излучают мощные гравитационные волны — рябь пространства-времени, рассказали специалисты из Крымской астрофизической обсерватории РАН.

Они разработали методику, которая позволяет исследовать внутреннюю структуру таких систем. В том числе рассчитывать массы компонентов, размеры их орбит, скорости движения, запасы энергии и ее потери за счет гравитационного излучения, а также срок жизни системы до объединения. Вместе с тем специалисты определили главный источник мощного энерговыделения, которое происходит в результате взаимодействия черных дыр.

— Новый способ основан на данных многолетнего наблюдения пяти блазаров. Их изучали с помощью 22-метрового радиотелескопа РТ-22 в Симеизе (Крым). История непрерывного мониторинга превышает 50 лет. Анализ информации, накопленной за это время, дает возможность сделать достоверные заключения о свойствах космических объектов. В частности, исследователи выявили класс объектов с особой периодичностью излучения. Моделирование показало, что все пять блазаров — это системы парных сверхмассивных черных дыр, и периодичность может быть связана с их орбитальным движением на стадии слияния, — рассказал «Известиям» заместитель директора КрАО РАН Александр Вольвач.

Частицы в таком потоке разгоняются до скоростей, близких к световым. Причем джет блазара направлен в сторону Земли, поэтому наблюдатели видят его как чрезвычайно яркий источник во всем электромагнитном спектре излучения, рассказал ученый.

Почему важно исследовать активные ядра галактик

По словам Александра Вольвача, сейчас выявлено порядка 150 объектов, которые претендуют на роль двойных сверхмассивных черных дыр. Их изучение позволяет получить новые сведения о Вселенной.

— В обычном состоянии эти объекты крайне молчаливы. Они не излучают свет и не проявляют себя напрямую. Всё, что мы знаем о них — через косвенные эффекты, — как они искривляют пространство, влияют на движение звезд и создают джеты. Но во время слияния — особенно на финальной стадии — они буквально «выходят на сцену», — пояснил специалист.

Именно в этот момент, сообщил он, проистекают события колоссальной мощности. В том числе возникают гравитационные волны и колебания, которые несут информацию как о самой двойной системе, так и о том, как устроена ткань пространства-времени в ее окрестностях. Образно говоря, в момент слияния черные дыры действительно начинают «говорить».

К примеру, сообщил ученый, предложенная модель помогла уточнить природу энергии, которая возникает в результате этого процесса. Согласно сделанным выводам, мощные всплески излучения возникают при прохождении компаньона через аккреционный диск (скопления вещества, которое, вращаясь, падает на массивный объект) центральной черной дыры. Согласно сделанным расчетам, при каждом таком событии всплески могут достигать ~10⁴⁷ эрг/с (в сотни миллионов раз ярче Солнца), что полностью согласуется с наблюдениями.

В целом, добавил Александр Вольвач, двойные системы сверхмассивных черных дыр — это мощный источник гравитационных волн, которые в свою очередь представляют собой канал информации. Его освоение — это ключ к астрономии, которая существенно расширит наши знания о Вселенной, позволит уточнить ее размеры, а также даст возможность создать сверхточные приборы нового поколения.

В частности, с их помощью специалисты смогут измерять материалы с атомарной точностью, калибровать эталоны длины и времени, а также осуществлять мониторинг тектонических сдвигов в земной коре и предсказывать землетрясения. Вместе с тем квантовые гравиметры по аномалиям гравитационного поля помогут находить полезные ископаемые на Земле и других планетах.

— Черные дыры в большей своей части остаются математическим объектами, удобными для объяснения явлений. Поэтому, чтобы глубже понимать физику нашей Вселенной, мы должны их изучать. Вместе с тем большинство космических объектов — парные системы. Это и звезды, и группы галактик, поэтому есть все основания предположить двойные ядра в центрах активных галактик, — отметил руководитель научного направления Специальной астрофизической обсерватории РАН Валерий Власюк.

Это удобная модель, чтобы объяснить квазипериодическую переменность излучения, добавил он. Поэтому исследования крымских специалистов имеют важное значение. Для полноты данных изучение радиоволн стоит дополнять наблюдениями и в других диапазонах электромагнитного излучения — в видимом свете, а также в жестком гамма- и рентгеновском излучении.

— Выявление периодического сигнала — ключевой момент для подтверждения существования двойных черных дыр, но ни один из кандидатов на эту роль окончательно не подтвержден, поскольку существуют альтернативные гипотезы. Это подчеркивает необходимость осторожного подхода к интерпретации данных, — отметил заведующий лабораторией экспериментальной астрофизики Института космических исследований РАН Сергей Сазонов.

По его словам, с точки зрения теории двойные сверхмассивные черные дыры — важная часть эволюции галактик, которые по мере развития Вселенной могут сливаться. Развитие исследований может пролить свет на пробелы в понимании процесса.

Например, почему при слиянии этих объектов природа не дает их центральным черным дырам легко преодолеть «последний парсек» — заключительную дистанцию в несколько световых лет.

— РТ-22 в Симеизе — один из самых чувствительных радиотелескопов в миллиметровом диапазоне в нашей стране и мире. Именно на нем в 1970-е годы открыли блазар S 0528+134, который даже получил персональное имя Nimfa. Он считается самым мощным излучателем во Вселенной, в том числе в диапазоне гравитационных волн. Не случайно Nimfa стала одним из главных объектов, на основе наблюдений которого ученые построили свою модель, — рассказал заведующий лабораторией внегалактической радиоастрономии Астрокосмического центра ФИАН Юрий Ковалев.

По его словам, изучение этого объекта ведут и на других телескопах мира. Также излучение S 0528+134 может быть доступно для регистрации детекторами International Pulsar Timing Array — глобального проекта, в котором астрономы используют пульсары (источники периодических радиосигналов в космосе), чтобы по искажению пространства-времени между ними и Землей определять гравитационные волны.