Студент помог обнаружить новую пару сверхмассивных черных дыр в центре далекой галактики-блазара

Группа астрономов во главе с сотрудниками Калифорнийского технологического института обнаружила доказательства того, что в центре далекой галактики PKS 2131-021 друг вокруг друга вращаются две сверхмассивные черные дыры. О своем открытии ученые сообщают в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Галактика PKS 2131-021, находящаяся в девяти миллиардах световых лет от нас, классифицируется как блазар — галактика с активным ядром. Значит, одна из черных дыр в ее центре поглощает пыль и газ из аккреционного диска, создавая струю высокоэнергетических частиц (джет), летящих в сторону Земли со скоростью, близкой к световой.

Обнаруженная система двух сверхмассивных черных дыр в активном центре галактики всего вторая в своем роде. Предыдущего кандидата — в центре галактики OJ 287 нашли совсем недавно: статья с результатами исследования вышла в начале этого года. Причем в первой паре черные дыры находятся дальше друг от друга, совершая оборот вокруг общего центра масс каждые девять лет, в сравнении с двумя годами для нового кандидата в парную систему.

Интересно, что финальные доказательства наличия в галактике PKS 2131-021 сразу двух сверхмассивных черных дыр были получены из архивных данных за 45 лет наблюдений. Согласно исследованию, мощный джет, исходящий от одной из двух черных дыр, постоянно смещается из-за орбитального движения пары. Это вызывает периодические изменения яркости блазара в радиодиапазоне, наблюдаемые с 1975 года.

Комбинация данных наблюдения за PKS 2131-021 с пяти обсерваторий дает почти идеальную синусоидальную кривую блеска (сигнала), в отличие от всех наблюдений активных ядер галактик, проведенных ранее. Согласно этим данным, слияние черных дыр произойдет примерно через 10 тысяч лет.

«Когда мы поняли, что пики и впадины кривой блеска, обнаруженные в последнее время, совпадают с пиками и впадинами, наблюдаемыми между 1975 и 1983 годами, мы поняли, что происходит нечто особенное», — комментирует работу Сандра О’Нилл (Sandra O’Neill), ведущий автор нового исследования и студент бакалавриата Калифорнийского технологического института. Ее научный руководитель — Тони Ридхед (Tony Readhead), почетный профессор астрономии того же института.

По словам профессора Ридхеда, события, сопровождающие открытие, разворачивались как «хороший детективный роман», начиная с 2008 года. Тогда он и его коллеги начали использовать 40-метровый телескоп радиообсерватории Owens Valley (OVRO) для изучения того, как черные дыры преобразуют материал, которым они «питаются», в релятивистские джеты, разгоняющие материю вплоть до скоростей в 99,98% от скорости света. С этой целью они отслеживали яркость более 1000 блазаров, пока в 2020 году не заметили уникальный случай.

«Сигнал от PKS 2131 менялся не просто периодически, но синусоидально, — поясняет Ридхед. — Это означает, что существует закономерность, которую мы можем непрерывно отслеживать с течением времени. Вопрос заключается в том, как долго продолжается этот синусоидальный сигнал?»

Затем исследовательская группа просмотрела архивные радиоданные, чтобы найти прошлые пики на кривых блеска, которые соответствовали бы прогнозам, основанным на более поздних наблюдениях OVRO. Во-первых, данные Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO) и Радиоастрономической обсерватории Мичиганского университета (UMRAO) выявили пик 2005 года, который соответствовал прогнозам. Данные UMRAO также показали, что синусоидальный сигнал вообще отсутствовал в течение предыдущих 24 лет — вплоть до 1981 года, когда наблюдался другой предсказанный пик.

«На этом история бы закончилась, поскольку мы не знали, что данные об этом объекте существовали до 1980 года, — добавляет Ридхед. — Но затем Сандра взялась за этот проект в июне 2021 года. Если бы не она, эта прекрасная находка осталась бы лежать на полке».

Когда проект вернулся к рассмотрению, Ридхед вместе со студенткой О’Нилл просмотрели литературу и обнаружили, что обсерватория Haystack Массачусетского технологического института вела радионаблюдения за PKS 2131-021 с 1975 по 1983 год. Эти данные выявили еще один пик, соответствующий их предсказаниям, на этот раз в 1976 году.

Ридхед сравнивает наблюдаемые колебания радиосигнала джета с тикающими часами, когда каждый цикл или период синусоидальной волны соответствует двухлетней орбите черных дыр (хотя за счет расширения Вселенной наблюдаемый цикл на самом деле составляет пять лет). Это тиканье было впервые замечено в 1976 году и продолжалось в течение восьми лет, прежде чем пропасть более чем на 20 лет, вероятно, из-за изменений в аккреционном диске вокруг черных дыр.

«Но часы продолжили тикать, — говорит Ридхард. — Стабильность периода сигнала в течение последних 17 лет убедительно свидетельствует о том, что этот блазар содержит не одну сверхмассивную черную дыру, а пару, вращающуюся друг вокруг друга».