Две чёрные дыры, один газовый мост, миллиард лет до столкновения. Астрономы нашли редчайшую пару квазаров на краю Вселенной

Астрономы подтвердили существование пары квазаров в двух сливающихся галактиках ранней Вселенной. Система J2037-4537 существовала меньше чем через 1 млрд лет после Большого взрыва, поэтому наблюдения дают редкий шанс увидеть, как быстро росли первые массивные галактики и их центральные чёрные дыры.

Наблюдения провели с помощью комплекса радиотелескопов ALMA в Чили. Красное смещение J2037-4537 равно 5,7. Чем выше это значение, тем дальше в прошлое смотрят астрономы: свет от системы летел к Земле почти всю историю Вселенной.

Квазары входят в число самых ярких объектов космоса. В центре такого объекта находится сверхмассивная чёрная дыра, но светит не сама дыра, а разогретое вещество вокруг неё. Газ и пыль падают к центру галактики, закручиваются, нагреваются и излучают огромную энергию. Чёрная дыра не питается постоянно: активность запускают внешние процессы, а слияние галактик считается одним из главных механизмов.

При сближении галактик гравитация сбивает газ с прежних орбит и направляет часть вещества к центрам. Потоки подпитывают центральные чёрные дыры и могут включить сразу два квазара. Найти такую пару трудно даже в более поздней Вселенной, а для эпохи первых миллиардов лет известны только единичные подтверждённые случаи.

J2037-4537 заметили как кандидата в тесную пару квазаров ещё в 2021 году. Две яркие точки находились на одном красном смещении, z = 5,7, но оставалась другая версия: телескоп мог видеть не два объекта, а один квазар, раздвоенный гравитационной линзой.

Гравитационная линза возникает, когда массивная галактика на переднем плане искривляет и усиливает свет далёкого источника. В телескоп тогда попадают несколько изображений одного квазара. Для J2037-4537 эту возможность нужно было проверить, потому что линзированные копии внешне могут напоминать настоящую пару.

Команда под руководством Минхао Юэ из Университета Аризоны рассмотрела систему с высоким разрешением и изучила излучение ионизированного углерода, обозначаемое как [CII]. Эта линия помогает находить холодный газ в галактиках, где активно рождаются звёзды.

Карта [CII] показала протяжённое излучение между двумя источниками. Астрономы увидели газовый мост, который, вероятно, появился во время сближения галактик: взаимное притяжение вытянуло из них потоки вещества и связало систему приливной перемычкой.

Такой структуры не должно быть между двумя изображениями одного квазара. Наблюдения пылевого континуума и линии [CII] показали физическую связь между источниками, поэтому версия с гравитационной линзой отпала.

После проверки J2037-4537 стала одной из двух надёжно подтверждённых пар квазаров на красном смещении выше 5. На таких расстояниях астрономы видят время, когда массивные галактики и сверхмассивные чёрные дыры быстро набирали массу.

Обе галактики-хозяина оказались крупными фабриками звёзд. Динамическая масса каждой превышает 10 млрд солнечных масс, а темп звездообразования - больше 500 солнечных масс в год. Для сравнения, в современном Млечном Пути за год появляется всего несколько солнечных масс новых звёзд.

Оценки звездообразования ещё предстоит уточнить. Расчёты зависят от принятой температуры пыли и её способности излучать энергию. Наблюдения в нескольких диапазонах помогут точнее понять, с какой скоростью древние галактики превращали газ в звёзды.

Сейчас две сверхмассивные чёрные дыры разделяют тысячи световых лет. Они ещё не образовали двойную систему, где оба объекта гравитационно связаны и вращаются вокруг общего центра масс. По расчётам авторов, переход от пары квазаров к связанной двойной чёрной дыре займёт примерно 2,1 млрд лет.

Такая двойная система должна сформироваться примерно на красном смещении 2. Затем орбита начнёт постепенно сжиматься, а финальное слияние сверхмассивных чёрных дыр породит низкочастотные гравитационные волны.

Волны такого типа ищут не обычными детекторами вроде LIGO, а массивами пульсарного тайминга. Пульсары испускают регулярные радиосигналы, и очень длинные гравитационные волны чуть меняют время прихода этих импульсов на Землю. Несколько экспериментов уже сообщили о фоновом сигнале сильнее, чем предсказывали модели эволюции галактик.

J2037-4537 помогает проверить одну из возможных причин этого избытка. Если в ранней Вселенной пары квазаров встречались чаще, чем считалось, последующие слияния сверхмассивных чёрных дыр могли заметно усилить общий гравитационно-волновой фон. Пока у астрономов мало таких систем, но J2037-4537 уже показывает, как две растущие чёрные дыры загораются внутри сливающихся молодых галактик.