Две чёрные дыры в хороводе смерти

Если составить что-то вроде «рейтинга одиночества» небесных, да и не только небесных объектов, на первом месте с большим отрывом окажутся звёзды. При типичных размерах порядка миллиона километров они находятся на характерных расстояниях в триллионы и десятки триллионов километров. Будь звёзды человеческих размеров, в масштабе эти герои жили бы на расстояниях в тысячи и десятки тысяч километров друг от друга, и на всей нашей Земле умещались бы лишь единицы светил.

Попробуй уподобить людям планеты Солнечной системы, и их будут разделять уже лишь километры и десятки километров. Не то чтобы развитое сообщество, но примерно такова средняя плотность населения в российской Сибири выше 55-й параллели или в Австралии вдали от населённого восточного побережья континента.

А вот большинство галактик во Вселенной живут в откровенной тесноте.

Среднее расстояние между галактиками – лишь на порядок-два больше их собственных размеров. Это плотность мегаполисов. Например, в Москве на среднего человека приходится всего 100 квадратных метров площади – не жилой, а общей, вместе с заводами, офисами, промзонами, дорогами и зелёными парками; понятно, что от многоэтажного жилья в таких случаях никуда не деться.

Рост через слияния

При такой плотности галактики должны то и дело сталкиваться в пространстве, и астрономы действительно наблюдают очень много таких столкновений. Правда, в реальности удару подвергается только галактический межзвёздный газ – облака, которые отлично чувствуют друг друга благодаря удерживающим их магнитным полям. Звёзды почти не сталкиваются (они крайне редко разбросаны в пространстве), не сталкивается и тёмная материя – её частицы, возможно, и вовсе друг друга не замечают.

Тем не менее взаимное притяжение галактик заставляет их после первого сближения вновь и вновь возвращаться и падать сквозь друг друга. Как правило, через десятки и сотни миллионов лет, после нескольких таких взаимных «пролётов» возникает новое равновесное состояние, и вместо двух галактик мы видим одну, более крупную звёздную систему.

Сейчас учёные полагают, что именно таким образом выросли большинство крупных галактик, с одним-единственным уточнением – как правило, в слиянии есть доминирующий игрок, который поглощает игрока субдоминантного. Но бывают и исключения – например, через несколько миллиардов лет наш собственный Млечный Путь должен слиться с Туманностью Андромеды. Обе эти галактики – гиганты, правящие бал в Местной группе, и выбрать здесь главного сложно.

А что же происходит при слиянии со сверхмассивными чёрными дырами, которые расположены в центре каждой уважающей себя крупной галактики?

Если верить теории, они должны проседать к единому центру появляющейся галактики и со временем тоже сливаться. Более того, до своих гигантских размеров они вырастают не только благодаря пожиранию звёзд и газа из окружающего пространства, но и за счёт слияний (относительный вклад двух процессов остаётся предметом споров). Вот только двойных сверхмассивных дыр, готовых к слиянию в обозримом по астрономическим меркам будущем, мы почти не видим.

Дыры-пары

Известные астрономам пары сверхмассивных чёрных дыр вообще можно пересчитать по пальцам одной руки, даже если одного из них вы лишились на производстве. Это заметное в рентгеновских лучах двойное активные ядра галактик NGC6240 и 3C75, блазар OJ 287 (главная компонента этой пары, возможно, является самой массивной среди известных чёрных дыр), а также квазар SDSS J0927+2943.

Все эти объекты – активные галактические ядра, которые ярко светят за счёт нагрева газа, падающего на сверхмассивную чёрную дыру, до огромных температур. Так что чёрные дыры там точно есть. Однако если в относительно близкой (400 миллионов световых лет) NGC6240 мы напрямую видим два ядра, то выводы о двойственности в куда более далёких блазаре OJ287 и квазаре SDSS J0927+2943 сделаны по достаточно тонким эффектам. Так что даже сами авторы за такую интерпретацию вряд ли дадут хоть палец на отсечение.

Теперь можно смело загибать пятый палец – для квазара SDSS J1537+0441.

Как утверждают Тодд Боросон и Тод Лауэр из американской Национальной оптической астрономической обсерватории, эта пара чёрных дыр гораздо теснее, надёжнее и интереснее. SDSS J1537+0441 находится в 4,1 миллиардах световых лет от нас (z=0,38) в направлении на созвездие Змеи. Квазар состоит из двух чёрных дыр, кружащихся на расстоянии не более 1 светового года друг от друга. Соответствующая статья учёных опубликована в последнем номере Nature.

Боросон и Лауэр разработали собственную методику поиска «подозрительных» объектов, которая автоматически выделяет квазары со спектрами, непохожими на спектры всех остальных членов выборки. Астрономы применили метод к набору из 17,5 тысяч спектров высокого качества, полученных для относительно близких объектов, расположенных не дальше чем на полпути к краю видимой Вселенной (6,3 млрд. световых лет, z=0,7). Вычисления показали всего два объекта, резко отличающихся от всех остальных.

К радости авторов, одним из маргиналов оказался уже известный 0927+2943, а вторым – совершенно новый 1537+0441.

После этого астрономы подробно изучили спектр этого объекта и выяснили, что так резко выделило его среди всех остальных.

Один раз узко, два раза – широко

У квазаров бывают спектральные линии двух типов – узкие и широкие. Узкие появляются вдали от чёрной дыры, на расстояниях в несколько световых лет за счёт нагрева окружающего газа мощным излучением квазара. Широкие же образуются гораздо ближе к дыре, на расстояниях в сотые доли светового года. Температуры здесь ещё выше, а частицы движутся ещё быстрее, что и расширяет линии за счёт эффекта Доплера (каждый атом излучает и поглощает на своей собственной, чуть смещённой длине волны, так что линия в целом размазывается).

У квазара SDSS J1537+0441 оказалось две системы широких линий, смещённых друг относительно друга в спектре на расстояние, которое соответствует относительной скорости 3600 км/с. А вот система узких линий – одна. Всё выглядит так, будто в центре галактики, в пределах единой области узких линий размером в несколько световых лет, вокруг общего центра масс движутся две чёрные дыры, каждая со своей областью широких линий. У SDSS J0927+2943 было две смещённых друг от друга системы узких линий, так что компоненты этой двойной гораздо дальше друг от друга, чем в SDSS J1537+0441.

Поскольку по эффекту Доплера можно померить не полную скорость, а лишь её компонент вдоль луча зрения, 3600 км/с – лишь нижняя граница реальной полной пространственной скорости. Наиболее вероятное значение последней – около 6 тысяч км/с, хотя может быть и ещё больше. Массы двух чёрных дыр учёные оценили по размеру широкой линии H_β; получилось 800 миллионов и 20 миллионов масс Солнца.

Зная массы чёрных дыр и полную скорость, можно определить все остальные параметры системы – расстояние между компонентами и период обращения системы. Поскольку скорость падает с расстоянием, минимальной (наблюдаемой по эффекту Доплера) скорости соответствует максимально возможное расстояние.

Получается что-то около 1 светового года – в четыре раза ближе, чем от Солнца до ближайшей звезды (и в 4 раза больше, чем расстояние между компонентами OJ287, если верить той интерпретации вспышек блазара, что предлагает Маури Валтонен). Для скорости в 6000 км/с получается уже 0,3 светового года. А может быть и ещё меньше, если орбита двойной ближе к картинной плоскости.

Это означает, что период обращения двух чёрных дыр составляет порядка 100 лет. Может, и меньше, но точно не больше 500 лет. В любом случае

уже в ближайшие годы астрономы должны заметить относительное перемещение линий в спектре за счёт изменения вектора скорости при орбитальном вращении системы.

Это будет очень строгим тестом той интерпретации данных, что предложили Боросон и Лауэр, и если она подтвердится, позволит очень точно установить параметры двойной системы. Пока альтернативная интерпретация всё ещё возможна: например, авторы оценивают шансы наложения спектров двух квазаров, случайно оказавшихся на одном луче зрения, как 1:300 (в целом по выборке). Не то чтобы совсем невозможное событие, хотя отсутствие второй системы узких линий в этом случае потребует дополнительных объяснений.

В мёртвой зоне

Двойная система SDSS J1537+0441 будет особенно интересна астрономам, поскольку находится на очень интересном этапе своего развития – в своего рода «мёртвой зоне» орбитальной эволюции. Эти чёрные дыры уже достаточно близки друг к другу, чтобы вокруг них было недостаточно звёзд, обеспечивающих дальнейшее сближение за счёт динамического трения. В то же время они ещё слишком далеки, чтобы терять значительное количество энергии и сближаться за счёт излучения гравитационных волн.

Как чёрным дырам сблизиться дальше и в дальнейшем слиться? Возможно, важную роль играет падающий на две дыры газ. Возможно, энергию орбитального движения уносят подходящие слишком близко к двойной звёзды, которые, в зависимости от начальной конфигурации, пара чёрных дыр может не только захватить и проглотить, но и выбросить с огромной скоростью. Изучение SDSS J1537+0441 должно помочь прояснить этот вопрос.

А по-хорошему разобраться в эволюции чёрных дыр, выяснить, насколько часто они сливаются и что при этом происходит, мы сможем, наверное, не раньше, чем на орбиту отправится лазерная обсерватория LISA для наблюдения гравитационных волн. Их двойные чёрные дыры должны активно испускать на всех этапах эволюции – в том числе и при непосредственном слиянии. Похоже, правда, что LISA на орбите мы увидим не раньше, чем через 15–20 лет. И это число становится такой же константой, как 8 лет – срок, через который нам обещают зарегистрировать гравитационные волны на Земле. Почему-то от года к году он не уменьшается.