Астрономи знають, що вони існують. Вони знають, навіщо ці пари потрібні Всесвіту щоб пояснити, як галактики ростуть, зливаються та старіють. Але подивитися на них було неможливо.
До сьогодні.
У статті, опублікованій у престижному журналі Physical Review Letters, міжнародна команда з Оксфордського університету та Інституту гравітаційної фізики імені Макса Планка пропонує спосіб побачити те, що досі ховалося в темряві між зорями. Йдеться про подвійні надмасивні чорні діри два гіганти з масами в мільярди сонць, що кружляють одне навколо одного в танці, який триває мільйони років. Вони невидимі. Вони поглинають світло. Але тепер вчені знають, як змусити їх засяяти буквально.
Галактичні злиття
У центрі майже кожної галактики ховається надмасивна чорна діра. Коли дві галактики зіштовхуються та поступово зливаються в одну, їхні центральні монстри опиняються пов’язаними гравітацією. Утворюється система, яку астрономи називають подвійною надмасивною чорною дірою. Це одне з найпотужніших джерел гравітаційних хвиль у космосі хвиль, передбачених Альбертом Ейнштейном ще понад століття тому.
Проте знайти такі пари виявилося вкрай складно.
Астрономи вже ідентифікували деякі подвійні системи, але ті чорні діри розташовані занадто далеко одна від одної. Пари, що обертаються в тісній орбіті, залишаються прихованими. Вони не випромінюють світла, не дають прямих зображень, а їхнє оточення пил, газ та зорі замітає сліди. Десятиліттями це було «сліпим плямом» космології: вчені знали, що такі об’єкти мають існувати, але не мали інструменту, щоб їх побачити.
Тепер цей інструмент знайшовся. І він працює зовсім не так, як звичайний телескоп.
Природні телескопи
Замість того щоб ловити світло, яке чорні діри поглинають, дослідники пропонують шукати світло, яке вони фокусують.
«Надмасивні чорні діри це природні телескопи, пояснює доктор Мігель Зумалакаррегуі з Інституту гравітаційної фізики імені Макса Планка. Завдяки своїй величезній масі та компактним розмірам вони сильно вигинають промені світла, що проходять повз них. Зоряне світло з тієї ж галактики може фокусуватися в надзвичайно яскраві зображення явище, відоме як гравітаційне лінзування».
Механізм відомий давно. Якщо між нами та віддаленою зіркою опиняється масивний об’єкт, його гравітація викривляє простір-час і підсилює світло фонового джерела. У випадку ідеального вирівнювання світло зірки може обвести чорну діру кільцем так званим кільцем Ейнштейна. Одиночна чорна діра може перетворити тьмяну зірку на яскраву, але лише за ідеального вирівнювання. Космос має бути точно вишикований: зірка, лінза та Земля на одній лінії. Такі випадки рідкісні, а подвійні системи, як виявилося, змінюють правила гри.
Ромб у небі
Коли лінзами стають одразу два чорні діри, що обертаються, зона екстремального підсилення світла різко збільшується. Пара створює ромбоподібну структуру, яку фізики називають каустичною кривою. Подвійна система ускладнює картину лінзування, перетворюючи кільце Ейнштейна на складну ромбоподібну структуру, де зорі спалахують знову і знову. Коли зірка потрапляє всередину цього ромба, її блиск злітає в тисячі разів і це помітно навіть за величезних відстаней.
Теоретично такий спалах міг би бути безмежним.
На практиці кінцевий розмір зірок обмежує максимальну яскравість. Але й цього достатньо, щоб зафіксувати спалах на відстані мільярдів світлових років. Більше того подвійна система створює не один спалах, а цілу серію.
«Ймовірність того, що зоряне світло буде підсилене величезною кількістю разів, зростає неймовірно сильно для подвійної системи порівняно з однією чорною дірою, зазначає професор Бенце Кочіш з Оксфордського університету, співавтор дослідження. Це відкриває зовсім новий спосіб їхнього виявлення».
Повторюваний сигнал
На відміну від нерухомої одиничної діри, подвійна система постійно змінюється. Дві чорні діри обертаються одна навколо одної, поступово втрачаючи енергію через випромінювання гравітаційних хвиль процес, передбачений загальною теорією відносності. З часом вони зближуються та обертаються швидше, готуючись до неминучого злиття.
«Коли подвійна система рухається, каустична крива обертається та змінює форму, прочісуючи великий об’єм зірок позаду неї, пояснює Хансі Ванґ, аспірант групи професора Кочіша, який очолив дослідження. Якщо яскрава зірка опиняється в цій зоні, вона може давати надзвичайно потужний спалах щоразу, коли каустика проходить над нею. Це створює повторювані спалахи зоряного світла чіткий і неповторний підпис подвійної надмасивної чорної діри».
Структура каустики постійно зміщується.
Так виникає впізнаваний шаблон: спалахи відбуваються знову і знову, формуючи ритм, який астрономи зможуть відшукати в архівах спостережень. Це не випадковий блиск це космічний годинник, що відлічує орбітальний рух гігантів.
Маса та орбіта
Команда з’ясувала, що час і інтенсивність цих спалахів підкоряються передбачуваним закономірностям, а не хаосу. Гравітаційні хвилі, що поступово стискають орбіту, непомітно змінюють форму та рух каустичної кривої. Ці зміни залишають вимірювані сліди як у яскравості, так і в частоті спалахів.
Аналізуючи ці патерни, дослідники зможуть оцінити важливі характеристики прихованої пари:
- Маси чорних дір наскільки великі ці гіганти насправді
- Форму орбіти кругову, еліптичну чи витягнуту
- Темп зближення як швидко вони наближаються до фінального злиття
Це важливо, тому що подвійні надмасивні чорні діри ключ до розуміння еволюції галактик. Вони також є найперспективнішими джерелами для майбутніх космічних обсерваторій гравітаційних хвиль, таких як місія LISA Європейського космічного агентства. Але якщо новий метод спрацює, ми побачимо їх набагато раніше і не в темряві, а в спалаху світла.
Кожна подвійна діра матиме свій унікальний «пульс» і цей пульс можна буде прочитати за допомогою світла, задовго до того, як гравітаційно-хвильові детектори уловлять їхній сигнал.
Нові очі Всесвіту
Потужні нові обсерваторії, зокрема Обсерваторія Вери Рубін у чилійських Андах та Космічний телескоп імені Ненсі Грейс Роман, у найближчі роки різко розширять можливості пошуку таких повторюваних подій лінзування. Обсерваторія Вери Рубін здійснюватиме огляд неба з небаченою раніше швидкістю фотографуючи все південне небо кожні кілька ночей. Телескоп Роман, у свою чергу, працюватиме з орбіти Землі, використовуючи інфрачервоні та оптичні інструменти, щоб заглядати крізь космічний пил. Разом ці інструменти створять карту змінного неба, на якій повторювані спалахи від чорних дір не залишаться непоміченими.
Для астрономів це означає одне: пошук подвійних чорних дір переходить із розряду «можливо, колись» у розряд «очікується найближчими роками».
«Перспектива ідентифікації подвійних надмасивних чорних дір, що зближуються, за роки до запуску майбутніх космічних детекторів гравітаційних хвиль надзвичайно захоплива. Це відкриває двері до справжніх багатоповідомленних досліджень чорних дір, дозволяючи перевіряти гравітацію та фізику чорних дір цілком новими способами».
Ці слова належать професору Бенце Кочішу і вони означають, що ми стоїмо на порозі епохи, коли невидиме стане видимим не через випадок, а завдяки розумінню законів Всесвіту.
Подвійні чорні діри кружлятимуть у темряві й надалі.
Але тепер ми знаємо: коли вони проходять повз зірку, Всесвіт сам вмикає для них прожектор. І нам залишається лише дивитися вгору та ловити світло, яке приховані гіганти більше не можуть поглинути.
Про автора
