Миллион солнц, сжатых в одну точку. Человечество наконец это увидело — через рябь пространства-времени

В центрах галактик, где медленно сближаются пары сверхмассивных чёрных дыр, вещество может быть упаковано с почти немыслимой плотностью. Новая работа в Nature Astronomy показывает, что в каждом кубическом парсеке вокруг таких систем может находиться порядка миллиона солнечных масс. Туда входят и звёзды, и тёмная материя. Главная интрига в том, как удалось оценить такую плотность: не по прямым снимкам, а по слабому гравитационно-волновому фону, который улавливают с помощью пульсаров.

Напрямую рассмотреть центральные области галактик очень трудно. Там всё слишком компактно, слишком далеко и слишком тесно переплетено. Поэтому астрономы ищут косвенные способы понять, что происходит в этих ядрах. Один из таких способов связан с парами сверхмассивных чёрных дыр. После слияния галактик их центральные чёрные дыры тоже оказываются рядом и начинают очень медленно терять энергию, постепенно сближаясь. При этом система излучает гравитационные волны, рябь пространства-времени, которая распространяется по Вселенной.

Но такие пары ведут себя совсем не так, как чёрные дыры звёздной массы, которые регистрируют наземные установки вроде LIGO. Там слияние происходит на последних секундах, сигнал короткий и сравнительно высокочастотный. У сверхмассивных пар всё намного медленнее. Их гравитационные волны имеют чрезвычайно низкую частоту, поэтому наземные детекторы для них не подходят.

Здесь на помощь приходят массивы времён прихода импульсов от пульсаров. Пульсары, особенно миллисекундные, работают как исключительно точные природные часы. Это нейтронные звёзды, которые быстро вращаются и посылают радиосигналы с очень стабильным ритмом. Если между Землёй и пульсаром проходит гравитационная волна, пространство-время чуть растягивается или сжимается, и импульс приходит с едва заметным сдвигом. По таким отклонениям учёные и восстанавливают присутствие низкочастотных гравитационных волн.

Речь идёт не об одном отдельном источнике, а о целом фоне. Он складывается из огромного числа пар сверхмассивных чёрных дыр по всей Вселенной. Каждая из них понемногу вносит свой вклад, и вместе они создают слабый постоянный сигнал. Именно такой фоновый шум и удалось зафиксировать массивам пульсарного хронометража.

Однако в этом сигнале обнаружилась важная особенность. На самых низких частотах спектр ведёт себя не совсем так, как ожидалось бы в простейшей модели, где пара чёрных дыр сближается только за счёт излучения гравитационных волн. Внизу спектра появляется заметный изгиб. Такой результат намекает, что на движение чёрных дыр влияет не только сама гравитационно-волновая отдача. Значит, важную роль играет окружающая среда или особенности орбит, например их сильная вытянутость.

Авторы работы решили проверить один из самых естественных вариантов: взаимодействие двойной системы с окружающими звёздами и тёмной материей через трёхтельные гравитационные рассеяния. Физика здесь довольно наглядная. Если рядом с чёрной дырой пролетает более лёгкий объект, например звезда или сгусток тёмной материи, гравитация может ускорить его и выбросить на более далёкую орбиту. На это уходит энергия самой системы.

Если чёрных дыр две, процесс становится намного эффективнее. Частица вещества может несколько раз пройти рядом то с одной, то с другой чёрной дырой, прежде чем её окончательно выбросит наружу. За такие встречи двойная система теряет орбитальную энергию, а расстояние между чёрными дырами сокращается. Получается, что окружающая среда помогает паре быстрее сближаться.

Такой механизм важен сразу по двум причинам. Во-первых, он ускоряет путь к будущему слиянию. Во-вторых, он постепенно меняет сам центр галактики. Если чёрные дыры раз за разом выбрасывают наружу звёзды и другие компоненты среды, плотность в центральной области начинает выравниваться. Вместо очень крутого пика может формироваться более плоское ядро.

След этого процесса должен оставаться и в гравитационно-волновом фоне. Именно взаимодействие с плотной средой способно менять форму спектра на низких частотах. Причём положение этого изгиба зависит от того, сколько вещества было сосредоточено вокруг двойной системы на масштабах порядка парсека. Значит, по форме спектра можно оценить плотность среды в галактических центрах, которые иначе почти недоступны для прямого наблюдения.

Авторы сравнили свою модель с 15-летним набором данных проекта NANOGrav. Расчёты показали, что наблюдения лучше всего согласуются с плотностью около 10^6 солнечных масс на кубический парсек. Иными словами, в объёме куба со стороной примерно 3,26 светового года там может быть сосредоточен миллион масс Солнца. Для обычного опыта такая цифра звучит почти нереально, но для самых плотных галактических ядер она вполне укладывается в астрофизическую картину.

Данные также говорят в пользу сравнительно плоских профилей плотности, а не очень крутых центральных пиков. Это важно, потому что такой результат хорошо согласуется с тем, что уже известно по ближайшим галактическим центрам, которые можно изучать обычными телескопами подробнее других. В частности, распределение звёзд в центре Млечного Пути и в ядре галактики M87 попадает в область параметров, которую предпочитает новая модель.

Зато гипотетические резкие сгущения тёмной материи вблизи чёрных дыр, так называемые шипы, данные поддерживают хуже. Подобные структуры могли бы возникать, если сверхмассивная чёрная дыра росла внутри уже существующего гало тёмной материи и постепенно стягивала вещество к центру. Новая работа не закрывает такие сценарии окончательно, но показывает, что именно они не выглядят лучшим объяснением наблюдаемого изгиба спектра.

У результата есть и важное ограничение. Похожее изменение сигнала может давать не только плотная среда, но и высокая эксцентриситет орбит. Эксцентриситет показывает, насколько орбита вытянута. Чем сильнее она отличается от круга, тем иначе система теряет энергию и тем заметнее меняется форма гравитационно-волнового спектра. Поэтому в данных возникает частичная неоднозначность: часть эффекта можно приписать плотной среде, а часть, вытянутым орбитам.

Авторы отдельно отмечают, что объяснить наблюдаемую форму спектра только орбитальной вытянутостью трудно. Для этого пришлось бы предположить очень большие начальные эксцентриситеты у большинства систем, а такой сценарий считают маловероятным. Поэтому влияние плотной среды остаётся более правдоподобным вариантом.

Работа помогает и в решении одной старой астрофизической задачи, проблемы последнего парсека. Теория давно сталкивалась с вопросом, как именно пары сверхмассивных чёрных дыр проходят последние расстояния перед слиянием. На масштабах около парсека одних только гравитационных волн недостаточно, чтобы система быстро теряла энергию. Процесс мог бы слишком сильно затянуться. Взаимодействие со звёздами и тёмной материей даёт естественный дополнительный механизм, который помогает паре продолжить сближение до той стадии, когда гравитационные волны уже начинают доминировать.

В более широком смысле эта работа показывает, что гравитационно-волновой фон несёт сведения не только о самих чёрных дырах. В нём зашифрована информация и о среде вокруг них. Получается, что пульсарные массивы позволяют исследовать не только процесс будущих слияний, но и строение галактических ядер, которые обычными наблюдениями увидеть почти невозможно.

Следующий шаг зависит от качества данных. Чем дольше будут работать массивы времён прихода импульсов от пульсаров, тем точнее удастся измерить поведение спектра на самых низких частотах. Дополнительную чувствительность дадут новые радиотелескопы, включая китайский FAST, а в будущем и Square Kilometre Array. Более точные наблюдения должны помочь отделить влияние орбитальной вытянутости от влияния плотной среды.

Если объединить такие измерения с обычными наблюдениями конкретных пар сверхмассивных чёрных дыр, можно будет лучше понять, что именно преобладает в центрах галактик, звёзды или тёмная материя. В перспективе такие данные помогут проверять и более необычные модели тёмной материи, включая волновые и самодействующие варианты.

Пока главный вывод звучит так: слабый низкочастотный фон гравитационных волн оказался не просто фоном. Он уже начинает работать как инструмент для изучения самых труднодоступных областей галактик. И, судя по новой работе, эти области могут быть намного плотнее и сложнее, чем казалось раньше.