Черная дыра, впервые «попавшая на фото», может быть двойной

Метод гравитационно-волновой астрономии PTA основан на наблюдениях за пульсарами — нейтронными звездами, излучающими сигналы с почти идеальной регулярностью. Если через пространство между Землей и пульсаром проходит гравитационная волна, она слегка изменяет время прихода этих сигналов. Сравнивая данные от десятков пульсаров, ученые могут зафиксировать характерные возмущения, вызванные прохождением таких волн.

Команда, в которую вошли специалисты из Университета Бишопса, Университета Пенсильвании, Калтеха, Вандербильта и Университета Макгилла, проанализировала архивные данные крупнейших обзоров галактик — MASSIVE, ATLAS3D и CALIFA. Они искали характерные следы того, что галактика недавно столкнулась с другой и в ее центре могла сформироваться пара черных дыр. Главными признаками таких объектов оказались необычные свойства движения звезд: медленное вращение галактики и несоответствие между ориентацией видимой формы и внутреннего вращения светила.

Согласно новой работе, галактики с такими признаками — вероятные кандидаты в источники гравитационных волн, которые будут обнаружены первыми. Среди лидеров рейтинга — NGC 4073, NGC 1016, NGC 2832 и знаменитая M87.

Астрономы заметили, что звезды у самого центра M87 ведут себя странно — будто вращаются не вокруг одной точки, а по более сложным траекториям. Кроме того, в центре наблюдается снижение яркости — это может быть связано с тем, что двойная черная дыра разгоняет ближайшие звезды своей гравитацией. M87 также известна тем, что содержит около 12 тысяч шаровых звездных скоплений разного возраста и состава — по всей видимости, унаследованных от разных галактик, которые когда-то слились в одну.

Похожее поведение звезд отмечено и в других крупных эллиптических и линзовидных галактиках: NGC 1016, NGC 2832, а также в NGC 4073 — галактике в созвездии Девы на расстоянии около 280 миллионов световых лет от Земли. Именно она возглавляет список потенциальных источников гравитационных волн. По расчетам ученых, именно в ней волны должны быть особенно сильными и четко выраженными. Обнаружение таких сигналов позволит впервые напрямую зарегистрировать излучение от конкретной пары сверхмассивных черных дыр.

Не менее интересен случай галактики NGC 6240, расположенной в 400 миллионах световых лет от нас в созвездии Змееносца. Ее необычный внешний вид, напоминающий морскую звезду, связан с недавним слиянием двух крупных спиральных галактик. В центре этой системы, как считают астрономы, находятся сразу две черные дыры с массами около 870 и 860 миллионов солнечных. Сейчас их разделяет расстояние в несколько тысяч световых лет, но со временем они приблизятся и сольются в одну, создавая мощнейшие гравитационные волны.

Подобные слияния — обычное явление в истории Вселенной. Многие эллиптические и линзовидные галактики, по мнению ученых, образовались именно в результате таких событий. Поэтому крайне важно научиться заранее определять галактики, в которых могут находиться двойные черные дыры до их слияния. Это позволит не только лучше понять процессы эволюции галактик, но и подготовиться к их регистрации с помощью будущих приборов, таких как спутниковый детектор гравитационных волн LISA, запуск которого планируется на 2035 год.

Новая методика объединяет данные о внутреннем движении звезд и теоретические оценки гравитационного сигнала, который могла бы излучать пара черных дыр в конкретной галактике. Итогом стал рейтинг объектов, в которых шансы обнаружить такие системы особенно высоки. Эти данные можно использовать уже сейчас, чтобы сузить круг поиска, повысить точность будущих наблюдений и проверить гипотезы о происхождении сложных структур в центрах галактик.

Авторы исследования подчеркивают, что список пригодится не только для работы PTA-обсерваторий, но и для поисков двойных активных ядер и изучения редких случаев — например, отлетевших черных дыр, выброшенных из центра после слияния. Все эти процессы оставляют следы, и новые методы помогают научиться их находить заранее.