Надмасивні чорні діри в сусідній галактиці опинились на межі зіткнення

Зіткне­н­ня гала­ктик є фун­да­мен­таль­ни­ми поді­я­ми у Все­сві­ті. Вони від­бу­ва­ю­ться, коли дві систе­ми змі­шу­ють зір­ки в космі­чно­му тан­ці. Вони також викли­ка­ють вра­жа­ю­чі зли­т­тя надма­сив­них чор­них дір. Резуль­та­том є одна дуже змі­не­на гала­кти­ка та уні­каль­на надма­сив­на чор­на діра. Ці коло­саль­ні події є голов­ною силою в ево­лю­ції гала­ктик. Це те, як мен­ші гала­кти­ки поєд­ну­ю­ться, щоб утво­ри­ти все біль­ші. Такі зли­т­тя від­бу­ва­ю­ться з най­дав­ні­ших епох космі­чно­го часу.

Зли­т­тя Galaxy три­ва­ють і сьо­го­дні. Наш Чума­цький Шлях про­дов­жує погли­на­ти мен­ші, і через кіль­ка мільяр­дів років він зіткне­ться з Гала­кти­кою Андро­ме­ди. Коли це ста­не­ться, надма­сив­ні чор­ні діри обох гала­ктик також можуть злитися.

Ми не бачи­мо весь про­цес від поча­тку до кін­ця, оскіль­ки для його завер­ше­н­ня потрі­бні міль­йо­ни років. Про­те це не зава­жає астро­но­мам шука­ти – і зна­хо­ди­ти – дока­зи зіткнень гала­ктик і надма­сив­них чор­них дір.

Остан­нє від­кри­т­тя вико­ри­ста­но за допо­мо­гою космі­чно­го теле­ско­па Хаббл (HST), щоб помі­ти­ти три яскра­ві види­мі сві­тло­ві «гаря­чі точки» гли­бо­ко все­ре­ди­ні пари гала­ктик, що сти­ка­ю­ться. Ці цілі лежать від­но­сно близь­ко до нас – лише на від­ста­ні при­бли­зно 800 міль­йо­нів сві­тло­вих років від нас.

Астро­но­ми про­дов­жи­ли спо­сте­ре­же­н­ня Чан­дри та радіо­да­ні з дуже вели­ко­го маси­ву Кар­ла Г. Янського.

Як пра­ви­ло, гала­кти­ки з яскра­ви­ми ядра­ми, які нази­ва­ю­ться актив­ни­ми гала­кти­чни­ми ядра­ми (ско­ро­че­но AGN), існу­ють дуже дале­ко. Їх часто можна поба­чи­ти рані­ше в космі­чно­му часі. Можли­вість вивчи­ти гала­кти­ку та пару надма­сив­них чор­них дір під час зіткне­н­ня в «суча­сно­му» сусі­дньо­му Все­сві­ті — це вда­лий час для вивче­н­ня меха­ні­ки такої події.

---

Вияв­ле­н­ня поча­тко­вих зіткнень надма­сив­них чор­них дір

Від­кри­т­тя май­бу­тньо­го космі­чно­го зіткне­н­ня ста­ло­ся, коли Advanced Camera for Surveys від HST вияви­ла три опти­чні дифра­кцій­ні шипи в сер­ці гала­кти­ки, що сти­ка­є­ться, під назвою MCG-03 – 34-64. Дві з цих гаря­чих точок зда­ю­ться дуже близь­ки­ми одна до одної – лише при­бли­зно 300 сві­тло­вих років одна від одної. Вони від­сте­жу­ють наяв­ність кисню в ядрі. Він іоні­зу­є­ться чимось дуже енер­ге­ти­чним, і гаря­чі точки зди­ву­ва­ли астро­но­мів. (Тре­тя гаря­ча точка не зов­сім зрозуміла.)

«Ми не очі­ку­ва­ли поба­чи­ти щось поді­бне», — ска­за­ла Анна Трін­да­ді Фаль­као з Цен­тру астро­фі­зи­ки | Гар­вард і Смі­тсо­нів­ський інсти­тут у Кем­бри­джі, Массачусетс. 

«Це зобра­же­н­ня не є зви­чай­ним яви­щем у сусі­дньо­му Все­сві­ті, і воно гово­рить нам, що все­ре­ди­ні гала­кти­ки від­бу­ва­є­ться щось інше».

Фаль­као та її коле­ги хоті­ли зна­ти, що ста­ло при­чи­ною цих яскра­вих плям. Тож вони вико­ри­ста­ли рент­ге­нів­ську обсер­ва­то­рію Chandra, щоб зосе­ре­ди­ти­ся на події.

«Коли ми поди­ви­ли­ся на MCG-03 – 34-64 в рент­ге­нів­сько­му діа­па­зо­ні, ми поба­чи­ли два роз­ді­ле­них, поту­жних дже­ре­ла висо­ко­енер­ге­ти­чно­го випро­мі­ню­ва­н­ня, що збі­га­ли­ся з яскра­ви­ми опти­чни­ми точка­ми сві­тла, які спо­сте­рі­гав Хаббл. Ми зібра­ли ці части­ни разом і дійшли виснов­ку що ми, ймо­вір­но, диви­ли­ся на дві близь­ко роз­та­шо­ва­ні надма­сив­ні чор­ні діри», — ска­зав Фалькао.

Коман­да також зна­йшла спо­сте­ре­же­н­ня цих об’єктів в архів­них даних радіо­те­ле­ско­па. Ці поту­жні радіо­ви­про­мі­ню­ва­н­ня дове­ли, що пара чор­них дір існує і набли­жа­є­ться одна до одної.

«Коли ви бачи­те яскра­ве сві­тло в опти­чних, рент­ге­нів­ських і радіо­хви­лях, бага­то речей можна виклю­чи­ти, зали­ша­ю­чи висно­вок, що це можна поясни­ти лише близь­ки­ми чор­ни­ми діра­ми», — зазна­чив Фаль­као. «Коли ви зби­ра­є­те всі части­ни разом, ви отри­му­є­те кар­ти­ну дуе­ту AGN».

---

Май­бу­тня колізія

Ці цен­траль­ні надма­сив­ні чор­ні діри зіткну­ться, можли­во, через сто міль­йо­нів років. Кожен з них зна­хо­ди­ться в цен­трі одні­єї гала­кти­ки. Коли ці гала­кти­ки все ближ­че набли­жа­ю­ться, чор­ні діри в їхніх сер­цях почнуть вза­є­мо­ді­я­ти. Зго­дом вони зіл­лю­ться в поту­жну подію, випро­мі­ню­ю­чи гра­ві­та­цій­ні хви­лі як части­ну процесу.

Астро­но­ми при­пу­ска­ють (за допо­мо­гою моде­лю­ва­н­ня та спо­сте­ре­жень), що зли­т­тя гала­ктик із надма­сив­ни­ми чор­ни­ми діра­ми викли­кає вели­ку актив­ність. Під час зіткнень між­зо­ря­ний газ тече до гала­кти­чних центрів.

Він також сти­ска­є­ться в інших регіо­нах, і оби­дві дії викли­ка­ють спа­ла­хи зоре­утво­ре­н­ня. Деяка кіль­кість газу також нако­пи­чу­є­ться на цих цен­траль­них надма­сив­них чор­них дірах, викли­ка­ю­чи збіль­ше­н­ня вики­дів, оскіль­ки мате­рі­ал обер­та­є­ться по спі­ра­лі через акре­цій­ний диск.

Ці зли­т­тя від­бу­ва­ю­ться постій­но у Все­сві­ті. Моде­лі ево­лю­ції гала­ктик у поєд­нан­ні з дани­ми спо­сте­ре­жень свід­чать про те, що бага­то AGN у сер­цях гала­ктик зазна­ють зли­т­тя. Зіткне­н­ня надма­сив­них пар чор­них дір у цих AGN також свід­чить про те, що ці чор­ні діри ростуть через злиття.

---

Зіткне­н­ня надма­сив­них чор­них дір і май­бу­тні виявлення

Розу­мі­н­ня зли­т­тя близь­ких AGN, таких як ті, що спо­сте­рі­га­ю­ться в MCG MCG-03 – 34-64, про­по­нує уні­каль­не вікно в остан­ні ста­дії того, що астро­но­ми нази­ва­ють бінар­ним зли­т­тям SMBH. Такі події є і зали­ша­ти­му­ться основ­ним спосо­бом вимі­рю­ва­н­ня ефе­кту цих злит­тів. Вони запро­по­ну­ють широ­ке поле для дослі­дже­н­ня з вико­ри­ста­н­ням обсер­ва­то­рій, чутли­вих до сві­тла в усьо­му спе­ктрі, а також май­бу­тніх дете­кто­рів гра­ві­та­цій­них хвиль.

Ці вияв­ле­н­ня вима­га­ти­муть вдо­ско­на­ле­них вер­сій Гра­ві­та­цій­но-хви­льо­вої обсер­ва­то­рії лазер­но­го інтер­фе­ро­ме­тра (LIGO), яка зро­би­ла свої пер­ші вияв­ле­н­ня лише кіль­ка років тому. Гра­ві­та­цій­ні хви­лі, викли­ка­ні зли­т­тям надма­сив­них чор­них дір, ста­нуть ціл­лю май­бу­тніх інстру­мен­тів, таких як LISA (ско­ро­че­н­ня від Laser Interferometer Space Antenna).

Він роз­гор­не три космі­чні дете­кто­ри на від­ста­ні міль­йо­ни миль один від одно­го, щоб улов­лю­ва­ти дов­го­хви­льо­ві гра­ві­та­цій­ні хви­лі, що випро­мі­ню­ю­ться під час зіткне­н­ня гіган­тів чор­ної діри, таких як ті, що в MCG-03 – 34-64. Оскіль­ки ці зли­т­тя від­бу­ва­ю­ться по всьо­му Все­сві­ту, це буде бага­те поле дослі­дже­н­ня, яке зна­чною мірою спри­я­ти­ме нашо­му розу­мін­ню зли­т­тя гала­ктик як части­ни космі­чної еволюції.

---