Астрономы приблизились к обнаружению мест слияний сверхмассивных черных дыр
Где-то во Вселенной сверхмассивные черные дыры, каждая из которых в миллионы или миллиарды раз массивнее нашего Солнца, медленно вращаются вокруг друг друга. Их движение настолько неторопливо, что финальное сближение перед столкновением растягивается на столетия и более, и его невозможно увидеть или зафиксировать напрямую. Ученые давно предполагали, что такие пары должны порождать рябь в самой ткани пространства-времени, но до недавнего времени не существовало надежного способа указать, где именно находятся эти системы.
Новое исследование, проведенное в рамках Североамериканской наногерцовой обсерватории гравитационных волн (NANOGrav) при участии физиков из Йельского университета, предлагает возможное решение этой проблемы. Комбинируя данные о тонких искажениях пространства-времени с наблюдениями за необычно яркими центрами галактик, авторы работы продемонстрировали практический метод для определения вероятных мест слияний сверхмассивных черных дыр. Эта работа закладывает основу для того, чего в астрономии никогда не было прежде — способа картировать гравитационные волны по всему небу и связывать их с реальными космическими объектами.
Как пояснила одна из авторов исследования, доцент физики Йельского университета Кьяра Мингарелли, их открытие предоставляет научному сообществу первые конкретные ориентиры для разработки и тестирования протоколов обнаружения индивидуальных источников непрерывных гравитационных волн. В отличие от кратковременных волн от слияний звездных черных дыр, которые регистрируют наземные обсерватории, волны от сверхмассивных пар нарастают и затухают в течение многих лет, что делает их чрезвычайно сложными для выделения.
NANOGrav использует в качестве природных часов пульсары — быстро вращающиеся остатки звезд, которые посылают на Землю радиосигналы с невероятно стабильной периодичностью. Если пространство-время между Землей и пульсаром искажается, эти сигналы приходят чуть раньше или позже ожидаемого времени. В 2023 году ученые, используя этот подход, объявили об обнаружении фонового «гула» гравитационных волн от множества далеких пар черных дыр. Однако этот сигнал был усредненным и не указывал на конкретные источники.
Новая работа была сосредоточена на превращении этого размытого сигнала в нечто более точное. Ключевой идеей стал целевой поиск в местах, где пары сверхмассивных черных дыр с наибольшей вероятностью могут существовать. Предыдущие исследования показали, что галактики, содержащие квазары — чрезвычайно яркие области, питаемые падающим в черную дыру веществом, — статистически гораздо чаще могут содержать две массивные черные дыры на орбите. Используя это знание, команда разработала стратегию целенаправленного поиска.
Исследователи изучили 114 активных галактических ядер, объединив данные о времени прихода сигналов от пульсаров с измерениями изменения яркости квазаров во времени. Это позволило проверить, может ли какая-либо из этих галактик порождать достаточно сильный непрерывный гравитационно-волновой сигнал. Не утверждая об однозначном обнаружении, ученые ранжировали кандидатов по степени соответствия ожиданиям. Две галактики выделились особенно: SDSS J1536+0411 и SDSS J0729+4008. Команда дала им неформальные названия «Рохан» и «Гондор» — в честь студентов, участвовавших в анализе, и отсылая к вселенной «Властелина колец».
Непосредственная важность этой работы заключается не в открытии конкретного слияния, а в создании рабочей системы обнаружения. Как отметила Мингарелли, их работа задала направление для системной структуры обнаружения двойных сверхмассивных черных дыр. Даже несколько подтвержденных источников станут фиксированными точками отсчета, позволив ученым лучше интерпретировать фоновый гравитационно-волновой сигнал и связать его с эволюцией галактик. В долгосрочной перспективе этот подход может помочь ответить на фундаментальные вопросы о частоте слияний галактик, росте сверхмассивных черных дыр и поведении гравитации на самых больших масштабах, а также приблизить гравитационно-волновую астрономию к традиционным наблюдениям, связав невидимые сигналы пространства-времени с видимыми космическими структурами.
Исследование в журнале The Astrophysical Journal Letters.