Всего 100 лет до столкновения. Готовы в прямом эфире лицезреть коллапс сверхмассивных черных дыр?

В центре галактики Markarian 501 астрономы, похоже, нашли одну из самых редких и тревожных сцен во всей современной астрофизике: две сверхмассивные чёрные дыры кружат совсем рядом друг с другом и, возможно, уже вышли на финальный этап перед слиянием.

Сверхмассивные чёрные дыры давно считаются привычными обитателями центров крупных галактик. Их масса может быть в миллионы и миллиарды раз больше солнечной. Но главный вопрос до сих пор открыт: как такие чудовищно тяжёлые объекты вообще успевают вырасти. Одного только поглощения газа для этого, по всей видимости, недостаточно. Процесс занял бы слишком много времени. Поэтому астрофизики давно предполагают, что значительную часть массы такие объекты набирают за счёт слияний друг с другом после столкновений галактик.

Сами галактические столкновения во Вселенной не редкость. Значит, и чёрные дыры в их центрах тоже должны постепенно сближаться, выходить на общую орбиту и в конце концов сливаться в один объект. Проблема в том, что именно последнюю стадию этого процесса наблюдать особенно трудно. Теория пока описывает её неидеально, а надёжных наблюдений до сих пор почти не было.

Группе под руководством Сильке Бритцен из Института радиоастрономии Макса Планка удалось подойти к этой задаче с другой стороны. Исследователи изучали галактику Mrk 501 в созвездии Геркулеса и опирались на радионаблюдения очень высокого разрешения. Данные собирали на разных частотах в течение примерно 23 лет, на десятках наблюдательных сессий. Такая длинная серия позволила увидеть не только давно известную структуру в центре галактики, но и ещё одну.

Ключ к находке дал джет, то есть узкий и очень мощный выброс частиц, который чёрная дыра отправляет в космос почти со скоростью света. У Mrk 501 такой джет известен давно: он направлен почти в сторону Земли, поэтому выглядит особенно ярким. Но в новых данных исследователи заметили второй джет. Именно он стал главным аргументом в пользу того, что в центре галактики скрывается вторая сверхмассивная чёрная дыра. Авторы работы подчёркивают, что это первое прямое изображение системы такого типа в центре галактики.

Второй выброс устроен не так, как первый. Он ориентирован под другим углом и поэтому долго оставался почти незаметным. Когда астрономы проследили его поведение по сериям наблюдений, картина стала ещё интереснее. За считаные недели структура заметно менялась: второй джет как будто стартует позади более массивной чёрной дыры и затем движется вокруг неё против часовой стрелки. Потом цикл повторяется.

Анализ этой системы напоминал попытку удержаться на палубе качающегося корабля: весь узел с джетами постоянно находится в движении. Такое поведение хорошо объясняется двойной системой, где две чёрные дыры обращаются друг вокруг друга, а плоскость их орбиты при этом покачивается.

Отдельный эпизод пришёлся на июнь 2022 года. В один из дней излучение от системы дошло до Земли по настолько удачной траектории, что на снимках проявилась кольцевая структура, похожая на кольцо Эйнштейна. Самое правдоподобное объяснение такое: система на короткое время выстроилась почти точно вдоль линии наблюдения, а гравитация известной передней чёрной дыры искривила свет второго джета, который находился позади.

Дальше ученые сравнили изменения яркости, форму джетов и повторяющиеся детали в длинном ряду наблюдений. Из этого они вывели орбитальный период пары – около 121 дня. Для таких объектов это очень мало. Расстояние между ними оценивается примерно в 250–540 астрономических единиц, то есть в 250–540 раз больше дистанции от Земли до Солнца. По человеческим меркам цифра кажется огромной, но для двух сверхмассивных дыр с массой от 100 миллионов до миллиарда солнечных это почти тесный контакт.

Если расчёты массы и расстояния верны, орбита может сжиматься настолько быстро, что слияние произойдёт всего через 100 лет. Для астрономии, которая обычно оперирует миллионами и миллиардами лет, это почти мгновение.

Увидеть сами чёрные дыры как два отдельных объекта всё равно не получится. Markarian 501 находится слишком далеко от Земли, и даже самых мощных современных инструментов для такого разрешения недостаточно. Авторы прямо пишут, что с задачей не справится даже Event Horizon Telescope, который в 2019 и 2022 годах дал первые изображения чёрных дыр. Поэтому напрямую наблюдать, как орбита пары сжимается, человечество, скорее всего, не сможет.

Но у системы есть другой шанс выдать себя. Если две сверхмассивные чёрные дыры действительно так тесно сблизились, они должны излучать гравитационные волны очень низкой частоты. Такие сигналы ищут не лазерными интерферометрами, а через так называемые массивы тайминга пульсаров. Учёные измеряют, как меняется приход импульсов от пульсаров, и по этим микросдвигам пытаются уловить рябь пространства–времени.

Именно двойные сверхмассивные чёрные дыры уже считаются главным объяснением фона гравитационных волн, признаки которого несколько международных коллабораций обнаружили в 2023 году. Теперь Mrk 501 превращается в особенно интересную цель: это один из немногих кандидатов, где такой сигнал, возможно, удастся связать не с абстрактной популяцией объектов, а с конкретной системой. Если будущие наблюдения подтвердят гравитационные волны от этой пары, астрономы смогут почти в реальном времени следить, как частота сигнала растёт по мере того, как два гиганта закручиваются навстречу столкновению. Для науки это был бы крайне редкий и уникальный шанс.