Танец смерти невидимок: как гравитация выдаст тайну двойных черных дыр

Две сверхмассивные черные дыры в головокружительной спирали смерти вскоре могут стать видимыми для астрономов. Исследователи выяснили, как, вращаясь друг вокруг друга, эти темные массивные чудовища могут гравитационно линзировать свет звезд, находящихся позади них.

Практически в каждой крупной галактике есть своя сверхмассивная черная дыра, масса которой может составлять от миллионов (как, например, черная дыра в центре Млечного Пути, Стрелец A*) до миллиардов масс Солнца. Обычно в галактиках есть только одна такая дыра, но когда две галактики сливаются, их черные дыры могут падать друг на друга, в конце концов начиная вращаться вокруг общего центра, а спустя еще огромный промежуток времени — слиться, испустив мощную вспышку гравитационных волн.

До сих пор все известные астрономам двойные сверхмассивные черные дыры находились на огромном расстоянии друг от друга — в сотни или тысячи световых лет. В будущем Европейское космическое агентство планирует запустить гравитационно-волновой детектор LISA (Лазерно-интерферометрическая космическая антенна), предназначенный для регистрации низкочастотных гравитационных волн от слияния таких бинарных систем. Китайские ученые также предложили аналогичную миссию под названием «Тяньцинь». Но до сих пор не было другого известного способа обнаружить такие двойные системы. Возможно, до сих пор.

«Возможность идентифицировать сближающиеся двойные системы сверхмассивных черных дыр за годы до того, как будущие космические гравитационно-волновые обсерватории начнут работу, чрезвычайно захватывает, — заявил Бенце Кочиш из Оксфордского университета. — Это открывает дверь к настоящим мультимессенджерным исследованиям черных дыр, позволяя нам проверять теорию гравитации и физику черных дыр совершенно новыми способами».

Кочиш входит в команду астрономов из Оксфорда и Института гравитационной физики Общества Макса Планка в Германии, которые показали, как гравитационное линзирование двойными черными дырами может выдать их присутствие в далеких галактиках.

Гравитационное линзирование — это явление, вызванное массивными объектами, которые искривляют ткань пространства-времени вокруг себя под воздействием своего гравитационного притяжения. Это изменяет путь света, движущегося по этой искаженной ткани, так что фоновые объекты могут казаться увеличенными, а иногда даже расщепляться на несколько изображений.

Когда черная дыра всего одна, фоновая звезда должна быть идеально выровнена с ней, чтобы подвергнуться линзированию. Однако в случае двойной черной дыры ситуация меняется.

«Вероятность того, что звездный свет будет чрезвычайно усилен, для двойной системы огромна по сравнению с одиночной черной дырой», — пояснил Кочиш.

Двойная черная дыра действует как пара вращающихся линз, поскольку обе дыры обращаются вокруг их общего центра масс. Это создает область ромбовидной формы с квазипериодическими событиями линзирования, называемую «каустической кривой». Вдоль этой кривой эффект линзирования (усиление яркости) максимален.

В результате звезды фона, совпадающие с каустической кривой, будут периодически вспыхивать, поскольку их свет усиливается с периодичностью в несколько лет, соответствующей орбитальному периоду черных дыр. В другое время мы, скорее всего, даже не увидим этих звезд — настолько далеки галактики, в которых находятся эти двойные системы.

«По мере движения двойной системы каустическая кривая вращается и меняет форму, проходя через огромное количество звезд позади нее, — объяснил Ханьси Ван, аспирант Оксфорда, в своем заявлении. — Если яркая звезда попадает в эту область, каждый раз, когда каустика проходит над ней, происходит чрезвычайно яркая вспышка. Это приводит к повторяющимся всплескам звездного света, которые служат четкой и отличительной подписью двойной системы сверхмассивных черных дыр».

Однако эта ситуация не остается неизменной, потому что орбиты черных дыр постепенно сжимаются. Черные дыры теряют орбитальную энергию, которая уносится гравитационными волнами. Сближаясь друг с другом, они начинают вращаться все быстрее и быстрее. Требуются миллионы лет, чтобы две черные дыры потеряли достаточно орбитальной энергии для слияния, но само сокращение их орбит может стать заметным благодаря изменениям в каустической кривой. Эти изменения повлияют на модуляцию частоты событий линзирования и их пиковую яркость. Масса двух черных дыр также может быть закодирована в форме каустической кривой.

Изменения частоты и пиковой яркости линзированных событий будут накапливаться тысячи или миллионы лет, чтобы стать заметными. В лучшем случае астрономы могут получить лишь «моментальный снимок» любой конкретной двойной системы сверхмассивных черных дыр. Однако, наблюдая достаточное количество подобных систем на разных стадиях их орбитальной эволюции, можно будет собрать эти снимки воедино и увидеть полную картину.

К счастью, предстоящие детальные обзоры ночного неба, которые будет проводить обсерватория имени Веры Рубин в Чили и космический телескоп имени Нэнси Грейс Роман (запуск запланирован на 2027 год), должны быть достаточно мощными, чтобы зарегистрировать множество событий линзирования от двойных сверхмассивных черных дыр в далеких галактиках. Затем, когда LISA начнет работу, предположительно в 2030-х годах, она сможет объединить усилия с обзорными телескопами для проведения детальной мультимессенджерной переписи черных дыр во Вселенной, несущихся по спирали к неизбежному слиянию.

Это открытие знаменует собой смену парадигмы. Вместо того чтобы ждать финальной вспышки гравитационных волн от слияния, астрономы теперь могут наблюдать за медленным, грациозным "танцем" этих гигантов на протяжении миллионов лет, изучая их поведение задолго до финального аккорда. Обнаружение периодических вспышек от фоновых звезд станет не просто подтверждением наличия двойной системы, но и позволит измерить массу каждого компонента, скорость их вращения и даже проверить общую теорию относительности Эйнштейна в экстремальных условиях искривленного пространства-времени, которые невозможно воспроизвести в лабораториях на Земле. Это дает нам уникальный шанс увидеть Вселенную в новом, "линзированном" свете и, возможно, найти ответы на вопросы о том, как росли и эволюционировали галактики на протяжении космической истории.