Массивные черные дыры растут в основном двумя способами: за счет аккреции окружающего газа, а также путем слияния с другими аналогичными объектами. На протяжении большей части истории Вселенной главным источником прироста их массы, вероятно, была именно аккреция.
Однако дополнительно ускорять рост черных дыр могут столкновения галактик: их взаимодействия направляют потоки газа к центральным областям, усиливая аккрецию, а также приводят к сближению центральных черных дыр. Если после столкновения галактик рядом оказываются несколько черных дыр, со временем они могут сформировать связанную систему, а затем слиться.
Предыдущие наблюдения показали, что в ранней Вселенной галактики активно взаимодействовали друг с другом, создавая условия для появления систем из нескольких черных дыр. Их присутствие можно зафиксировать по излучению аккрецирующего газа и характерным широким эмиссионным линиям в спектре.
В 2023 и 2024 годах команда астрономов под руководством Ханны Ублер (Hannah Übler) из Института внеземной физики Общества Макса Планка в Германии наблюдала галактику J0148-4214 с красным смещением z = 5,0167, то есть такой, какой она была примерно через 1,15 миллиарда лет после Большого взрыва. С помощью камеры ближнего инфракрасного диапазона NIRCam, а также спектрографа NIRSpec, установленных на орбитальном телескопе «Джеймс Уэбб», ученые нашли две пространственно разделенные области широких эмиссионных линий Hα (спектральная линия водорода), которые лучше всего объясняются двумя активно поглощающими вещество массивными черными дырами.
В случае с J0148-4214 ученые выяснили, что две черные дыры BH1 и BH2 расположены на расстоянии приблизительно 620 световых лет друг от друга, а их масса составляет 79 миллионов масс Солнца и 630 тысяч солнечных масс соответственно.
Чуть позже команда Ублер нашла еще один участок быстрого движения водорода в J0148-4214. Он располагался на окраине галактики, более чем в 5500 световых годах от первых двух областей. Наблюдения указали на третью растущую черную дыру BH3 массой примерно два миллиона масс Солнца.
Авторы научной работы также рассмотрели другие возможные источники наблюдаемых сигналов — сверхновые, ударные волны, потоки вещества, массивные звезды. Однако ни один из этих вариантов не смог так хорошо объяснить совокупность полученных данных, как модель с тремя черными дырами.
Как появилась эта система? На этот вопрос еще нет однозначного ответа. Астрономы не исключают, что наличие черных дыр может указывать на недавнее слияние нескольких галактик.
С третьей черной дырой ситуация пока не так ясна. Она расположена намного дальше от двух других. Возможно, BH3 только недавно оказалась в J0148-4214 и приближается к центру. Не исключено и другое объяснение: во время сильного гравитационного взаимодействия две черные дыры могли оттолкнуть третью дальше от центра.
По словам Ублер, две центральные черные дыры, вероятно, со временем сольются. Если третья черная дыра тоже движется к центру, она впоследствии может объединиться с образовавшимся объектом. Но связаны ли эти тела друг с другом гравитационно, ученые точно не знают.
Астрономы также оценили, могут ли гравитационно-волновые детекторы зарегистрировать будущие слияния черных дыр в подобных системах. Если предположить, что две центральные черные дыры BH1 и BH2 сольются через примерно 700 миллионов лет, а затем новый объект объединится с BH3, такие события, в принципе, можно будет фиксировать, например, с помощью космической обсерватории LISA, которую планируют ввести в строй в 2035-м.
Для проверки этого сценария исследователи использовали GWFish — инструмент, позволяющий оценивать, насколько хорошо конкретное гравитационно-волновое событие сможет зарегистрировать будущий детектор.
При заданных параметрах вероятность обнаружения слияния BH1 и BH2 составила 38,2 ± 4,2 процента, а последующего слияния образовавшейся черной дыры с BH3 — 81,8 ± 1,8 процента. Однако эти показатели нужно воспринимать именно как исключительно результат модели прогнозирования, а не как предсказание того, что LISA гарантированно «поймает» эти события. Итог зависит от дальнейшего движения и эволюции черных дыр.
До открытия команды Ублер астрономы не располагали свидетельствами существования систем из трех массивных черных дыр в одной галактике в столь ранней Вселенной. Авторы предыдущих исследований находили такого рода системы на более близких расстояниях, в том числе в результате взаимодействия и слияния галактик. Известный пример — галактика NGC 6240 в созвездии Змееносец, расположенная от Земли на расстоянии 400 миллионов световых лет.
По мнению специалистов, результаты исследования указывают на то, что системы из трех черных дыр могли быть обычным явлением в молодой Вселенной. Если это так, то взаимодействия и последующие слияния этих систем могли играть заметную роль в стремительном росте черных дыр в первые миллиарды лет после Большого взрыва.
Выводы астрономов представлены в журнале Astronomy & Astrophysics.