«Проблема трех тел» галактического масштаба: найдены три черные дыры, сливающиеся в одну

Эволюция галактик — это история постоянных поглощений. Крупные звездные острова, подобные Млечному Пути, набирают массу, притягивая и поглощая своих соседей. Поскольку в центре почти каждой галактики находится сверхмассивная черная дыра, процесс слияния галактик неизбежно ведет к сближению и взаимодействию этих гравитационных гигантов.

Теоретические модели предсказывают, что во Вселенной должны существовать не только двойные системы черных дыр, но и тройные. Это происходит, когда к уже сливающейся паре галактик присоединяется третья, прежде чем первые две успевают завершить процесс объединения. Однако обнаружить такие системы на практике оказалось очень сложной задачей. До недавнего времени астрономам были известны лишь единичные подтвержденные случаи в локальной Вселенной.

В новом исследовании, результаты которого опубликованы в The Astrophysical Journal Letters, научная группа под руководством Эммы Шварцман представила доказательства существования уникальной системы WISEJ1218/J1219. Это первый в истории наблюдений случай, когда активность сразу трех сверхмассивных черных дыр была подтверждена независимым и наиболее надежным методом — регистрацией их радиоизлучения.

Проблема наблюдательной селекции

Поиск множественных активных ядер галактик (АЯГ) сопряжен с проблемой, которую астрономы называют «завесой». Когда галактики сталкиваются, гравитационные возмущения лишают огромные массы газа стабильности. Газ устремляется к центрам галактик, что вызывает два параллельных процесса:

1. Бурное звездообразование: газ сжимается, рождая тысячи новых массивных звезд.
2. Аккреция на черную дыру: газ падает на сверхмассивную черную дыру, заставляя ее активироваться и излучать энергию.

Проблема в том, что эти процессы часто выглядят одинаково для оптических телескопов. Молодые звезды и активная черная дыра создают мощное излучение, и различить их на больших расстояниях сложно. Кроме того, этот процесс сопровождается огромным количеством пыли, которая блокирует видимый свет и мягкий рентген. В результате многие тройные системы могут оставаться незамеченными или быть ошибочно классифицированы как простые участки звездообразования.

Именно поэтому открытие системы WISEJ1218/J1219 важный момент в науке. Исследователи использовали метод, которому пыль безразлична — радиоастрономию.

Архитектура тройной системы

Объект исследования находится на красном смещении z≈0.08, что в космологических масштабах считается локальной Вселенной (относительно близко к нам). Система состоит из трех галактик, находящихся на разных стадиях слияния:

1. Центральная пара (J1218 NW и SE): две галактики уже сблизились на расстояние около 22,6 килопарсек (примерно 73 тысячи световых лет). Их относительная скорость невелика (менее 300 км/с), что указывает на гравитационную связанность.
2. Внешний компонент (J1219): третья галактика находится на расстоянии 97 килопарсек от центральной пары. Несмотря на значительную дистанцию, она активно взаимодействует с парой. На оптических снимках виден приливной хвост — длинный шлейф звезд и газа, вытянутый из галактики гравитацией соседей.

Изначально эта система была отобрана телескопом WISE как кандидат на двойное ядро по инфракрасным характеристикам. Инфракрасное излучение хорошо проходит сквозь пыль, но оно не всегда позволяет точно сказать, что именно греет пыль — черная дыра или звезды. Для окончательного вердикта потребовался взгляд в радиодиапазоне.

Радиоинтерферометрия как инструмент доказательства

Команда использовала массив радиотелескопов VLA (Very Large Array) в его самой широкой конфигурации, которая обеспечивает максимальное угловое разрешение. Наблюдения велись на трех частотах: 3, 10 и 15 ГГц.

В центрах всех трех галактик были обнаружены компактные источники радиоизлучения. Чтобы исключить вероятность того, что радиоволны испускаются областями звездообразования (например, остатками сверхновых), ученые проанализировали спектральный индекс.

В физике излучения существует различие:

• Тепловое излучение: исходит от нагретого газа в регионах рождения звезд.
• Синхротронное излучение: возникает, когда заряженные частицы (электроны) движутся с околосветовыми скоростями в мощных магнитных полях.

Спектральный анализ показал, что излучение всех трех источников имеет синхротронную природу. Это маркер активных ядер галактик. Черные дыры в центрах этих галактик активно поглощают материю и выбрасывают часть ее в виде релятивистских джетов (струй плазмы), которые и генерируют радиосигнал.

Это отличает новую находку от предыдущих кандидатов. Например, в известной системе SDSS J0849+1114 активность ядер подтверждалась комбинацией рентгена и оптики, а в радиодиапазоне были видны только два источника. В системе J1218 радиоизлучение фиксируется от всех трех компонентов, что делает ее первым подтвержденным «тройным радио-АЯГ».

Почему важна именно «тройственность»

Обнаружение тройных систем выходит за рамки простой каталогизации редких объектов. Это ключ к решению одной из старых проблем астрофизики.

Когда две сверхмассивные черные дыры сближаются, они эффективно теряют энергию за счет динамического трения о газ и звезды, пока расстояние между ними велико. Однако, когда они сближаются до масштаба около одного парсека (несколько световых лет), трение ослабевает, и сближение может остановиться. Это известно как «проблема последнего парсека». Если бы черные дыры останавливались на этом этапе, мы бы не фиксировали сигналы гравитационных волн от их слияний.

Появление третьего тела меняет механику процесса. В системе из трех тел возникают сложные гравитационные взаимодействия (механизм Козаи-Лидова и обмен моментами импульса). Третья черная дыра может работать как катализатор: забирая энергию у пары, она заставляет центральные черные дыры сближаться быстрее и преодолевать барьер последнего парсека. В некоторых сценариях взаимодействие может быть настолько жестким, что самая легкая из трех черных дыр приобретает огромную скорость и выбрасывается из галактики в межгалактическое пространство.

Получается, системы, подобные J1218, являются естественными лабораториями, где мы можем наблюдать динамику, предшествующую самым мощным гравитационно-волновым событиям во Вселенной.

Новая стратегия поиска

Исследование Шварцман и коллег демонстрирует эффективность мультиволнового подхода. Оптические данные дали контекст (приливные хвосты, расстояния), инфракрасные данные позволили сделать первичный отбор, но именно высокочастотная радиоинтерферометрия поставила точку в вопросе природы источников.

Авторы работы подчеркивают, что существующие методы отбора, вероятно, сильно занижают количество тройных систем. Многие из них скрыты за пылью или не проявляют активности в оптическом диапазоне. Переход к систематическим радионаблюдениям с высоким разрешением позволит выявить популяцию таких объектов, которая ранее была невидима для астрономов. Это, в свою очередь, позволит уточнить модели эволюции галактик и лучше понять частоту слияний сверхмассивных черных дыр, сигналы от которых в будущем планируется ловить с помощью космических гравитационно-волновых детекторов следующего поколения, таких как LISA.

Источник:The Astrophysical Journal Letters