Трио черни дупки разкриват гравитационните вълни

Астрономи за първи път откриха три свръхмасивни черни дупки, въртящи се една около друга.

Европейската мрежа от наземни радиотелескопи EVN помогна на астрономите да открият в съзвездие Воловар галактиката SDSS J1502+1115, в центъра на която се намира не една, а едновременно три свръхмасивни черни дупки, въртящи се една около друга по тесни орбити.

Тяхното взаимодействие поражда добре забележими гравитационни вълни, чието изучаване в бъдеще ще помогне да се провери общата теория на относителността на Айнщайн, пишат авторите на откритието, публикувано в сп. Nature.

Днес практически всички астрономи са сигурни, че в центъра на повечето галактики се намира поне една свръхмасивна черна дупка. Тези обекти, чиято маса е милиони и дори милиарди пъти по-голяма от тази на Слънцето, играят ключова роля в живота на „звездните мегаполиси“ – те постоянно разбъркват газа в галактиките, което допринася за звездообразуването, и добавят строителни материали за „сглобяването“ на светила от междугалактичната среда.

Независимо от огромните размери и централната роля в живота на галактиките, такива черни дупки остават невидими за нас, в случай че не притежават акреционен диск – гигантски пръстен от газ и прах, чиято материя те постоянно засмукват. Черните дупки ускоряват част от привлечената към тях материя до почти светлинна скорост и я изхвърлят във вид на тънки снопове плазма – така наречените джетове, които издават на учените техния притежател в далечните ъгълчета на Космоса.

За последните две десетилетия са открити няколкостотин подобни обекти, чиито свойства активно се изучават с наземни и космически телескопи. В последните години астрономите са фокусирали усилия в търсенето на галактики, в центъра на които се намира не едно, а две космически чудовища.

Такива „двуядрени“ галактики са интересни на учените по две причини – тяхното изучаване ще помогне да се разбере как са протичали сливанията на галактиките в далечното минало, а наблюдението на гравитационното взаимодействие на черните дупки ще подскаже бил ли е прав Айнщайн в общата теория на относителността.

Роджър Дийн от университета на Кейптаун (ЮАР) и колегите му преизпълнили тази задача – те открили галактика в съзвездие Воловар, отдалечена от Земята на почти пет милиарда светлинни години, в центъра на която се намират едновременно три свръхмасивни черни дупки.

Учените успели да направят това откритие благодарение на специална методика на наблюдение – радиоинтерферометрия със свръхдълги бази, позволяваща да се обеднят няколко отделни радиотелескопа в различни ъгълчета на Земята (или Космоса) в гигантска чиния. Благодарение на нейната разделителна способност и чувствителност такава виртуална антена десетки пъти превишава аналогичните параметри за най-мощните телескопи в света.

Например европейската мрежа EVN, от чиято мощност се възползвал екипът на Дийн, около 50 пъти по-добре вижда в радиодиапазона от орбиталната обсерватория „Хъбъл“ в областта на видимото лъчение. Подобна разделителна способност открива цял нов свят за астрофизиците и им позволява да разглеждат детайли с дължина няколко светлинни години в ядрата на галактики, отдалечени от нас на милиони светлинни години.

Използвайки EVN, Дийн и колегите му изучавали вътрешната структура на вече открити квазари – ядра на галактики с активни черни дупки – на нощното небе на Северното полукълбо на Земята. Когато започнали да наблюдават SDSS J1502+1115, астрономите забелязали нещо необичайно – интерферометричните данни сигнализирали за наличието не на един, а поне на два джета, буквално завити в спирала.

Както обясняват астрономите, подобен сигнал невинаги говори за откриване на „двуядрена“ галактика, тъй като излъчването на джета по пътя към Земята може да премине през гравитационна леща, в резултат на което ще виждаме два, три или дори четири отделни източника на светлина.

По тази причина авторите на статията много внимателно препроверили резултатите от наблюденията на радиолъчението на SDSS J1502+1115, като включили към проекта и няколко други радиотелескопа, сравнили спектрите на джетовете и други техни физически свойства.

От една страна, тази проверка потвърдила, че двата източника на лъчение не са копие един на друг и че произхождат от черни дупки, а от друга страна, учените изяснили, че те всъщност са три, а не два.

Първите два от тях се изпускат от двете свръхмасивни черни дупки J1502SE и J1502SW, практически „облизващи“ се една друга – разстоянието между тях е само 500 светлинни години, което е нищожно по космически мерки.

Третият джет се изпуска от относително далечния компаньон J1502P, разположен на 24 000 светлинни години от двойката. Тяхната маса, по оценка на Дийн и колегите му, е доста средна за свръхмасивни черни дупки – жителите на центъра на SDSS J1502+1115 са само 100 милиона пъти по-тежки от Слънцето.

Както отбелязват учените, гравитационното взаимодействие на трите свръхмасивни черни дупки е довело дотам, че J1502SE и J1502SW са се ускорили до скорост 110 км в секунда, което е 300 пъти по-високо от скоростта на звука. Според тях толкова голяма маса и висока скорост на въртене трябва да пораждат гравитационни вълни, които ще са добре видими за следващото поколение мрежи и големи радиотелескопи на Земята.

„Това откритие не само ни говори, че тесните двойки черни дупки се срещат във Вселената доста по-често, отколкото очаквахме, но и сочи, че вече строящите се радиотелескопи и интерферометри – като MeerKAT и африканската мрежа AVN, ще ни помагат директно да откриваме и изучаваме гравитационните вълни.

В по-далечна перспектива радиотелескопите на бъдещето, такива като мрежата SKA, ще ни позволяват да разглеждаме най-малките детайли на такива системи и да придобием реална представа за това как черните дупки са извайвали галактиките през цялата история на Вселената“, заключава друг автор на статията – Матю Джервис от Оксфордския университет.