Астрономы нашли древнейшую пару сливающихся массивных черных дыр

Благодаря возможностям космического телескопа «Джеймс Уэбб» астрономы находят все больше древних чрезмерно массивных черных дыр. Так, в ноябре 2023 года они сообщили об открытии рекордной по массе дыры, которую мы видим такой, какой она была всего через 500 миллионов лет после Большого взрыва. Спустя пару месяцев ученые показали, как древнейшая черная дыра уничтожает свою галактику уже по прошествии 400 миллионов лет после Большого взрыва.

Существует несколько гипотез, объясняющих такое быстрое формирование столь массивных объектов. Некоторые космологи считают, что эти дыры не начинали «с нуля», а «перенеслись» в нашу Вселенную из ее прошлого цикла. Другие ученые предполагают, что объекты могли нарастить массу через аномально быструю аккрецию материи. Третьи изучают сценарии формирования массивных «зерен» будущих дыр напрямую из плотных скоплений газа и пыли. Наконец, есть версия, что дыры просто сливались друг с другом.

Действительно, во время наблюдений астрономы нашли уже немало потенциальных пар активных ядер галактик, расположенных на расстоянии менее одного килопарсека друг от друга. Для сравнения: это в восемь раз ближе, чем от нас до центра Млечного Пути. Из-за такой близости объектов и разрешения наших инструментов оставалась вероятность, что «раздвоенное» излучение выдавал на самом деле один объект. Более того, ученые сомневались, что может произойти слияние. Согласно компьютерным моделям, одну из черных дыр, скорее, должно было выкинуть в межгалактическое пространство.

Теперь группа астрофизиков впервые доказала существование двух отдельных, но летающих крайне близко друг к другу массивных объектов в молодой Вселенной. На тот момент ей было около 740 миллионов лет (красное смещение 7,15). Результаты исследования опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Объектом изучения стала система галактик ZS7. Ранее подтвердилось, что там есть активное ядро галактики, то есть поглощающая материю черная дыра. Но часть излучения была «сдвинута» относительно этого ядра. Причем у этой «порции» излучения тоже были признаки активного ядра галактики. Были подозрения, что «сдвинутое» излучение — истинный «центр» галактики, а яркое пятно — просто область активного звездообразования.

Мы не знаем, насколько далеко друг от друга на самом деле находятся объекты, но с нашей точки обзора между ними примерно 620 парсек. Тщательно изучив данные наблюдений и кинематику второго объекта, авторы работы сделали уверенный вывод, что это действительно два активных ядра галактик. Второе просто скрыто плотным облаком пыли.

По оценкам, масса первого ядра — около 50 миллионов солнечных масс. Второе, вероятно, схожей массы, хотя из-за газа это сложно рассчитать. Масса всей системы сопоставима с массой Большого Магелланова Облака, крупнейшей галактики — спутника Млечного Пути.

Видимо, объекты ZS7 находятся на стадии динамического трения, когда теряют скорость из-за взаимодействия с окружающими звездами и газом. На следующем этапе начнут играть роль взаимодействия с отдельными звездами (знаменитая «задача трех тел»). А в конце «сброс» гравитационных волн спровоцирует окончательное образование пары черных дыр. Рядом с парой ученые засекли еще три тусклых «соседа» на расстоянии 2,5, 3,9 и 4,1 килопарсека. Видимо, мы наблюдаем образование большой системы всего через 740 миллионов лет после Большого взрыва.

На завершение процесса слияния у центральной пары активных ядер галактик должно было уйти 100-200 миллионов лет. Следующее поколение гравитационно-волновых телескопов сможет улавливать гравитационные волны от столь древних событий. В числе таких проектов — «Лазерная интерферометрическая космическая антенна» (LISA). Планируется, что она начнет работу в 2030-х годах.