Космическите пътепоказатели: квазарите и връзката им с черните дупки

Как квазарите могат да помогнат за откриването на двойки свръхмасивни черни дупки.

Изследователи твърдят, че целенасоченото търсене на гравитационни вълни от двойка свръхмасивни черни дупки в квазар може да бъде до седем пъти по-успешно, отколкото в случайна масивна галактика. Квазарите, най-ярките обекти във Вселената, биха могли да се превърнат в „космически пътепоказатели“, насочващи астрономите към редки двойки свръхмасивни черни дупки.

Учените знаят, че свръхмасивните черни дупки, чиято маса може да достигне милиони или дори милиарди слънчеви маси, се намират в центъра на повечето големи галактики. Въпреки това бинарните двойки от тези космически титани се откриват много трудно. Причината за това не е в тяхната рядкост, тъй като те се образуват при сливането на галактиките. Това означава, че има голям брой такива двойки, които са готови да се слеят и да създадат още по-масивна черна дупка. Но къде са те?

Ново изследване показва, че отговорът може да е в квазарите – светещите сърца на активните галактики, захранвани от свръхмасивни черни дупки. Изследователският екип констатира, че вероятността галактики с квазари да съдържат двойки свръхмасивни черни дупки е седем пъти по-голяма, отколкото при другите галактики. Откритията могат да помогнат при търсенето на тези чудовища с помощта на гравитационните вълни – миниатюрни пулсации в пространство-времето, предсказани за първи път в общата теория на относителността на Айнщайн през 1915 г.

Водещият автор на изследването Андрю Кейси-Клайд, докторант в Университета на Кънектикът и гостуващ изследовател в Йейлския университет, заяви пред Space.com, че резултатите могат значително да увеличат вероятността за откриване на гравитационни вълни от двойка свръхмасивни черни дупки в квазар.

Интересно е, че това откритие започна с донякъде разочароващ резултат. През 2015 г. изследването California Real Transit Survey (CRTS), проведено с помощта на три телескопа, показа, че 111 квазара с периодични светлинни криви могат да бъдат кандидати за двойки свръхмасивни черни дупки. Последвалите изследвания обаче показаха, че повечето от тези кандидати са фалшиви.

Въпреки това, дори и след коригиране на големия брой фалшиви положителни резултати, изследването установи, че квазарите наистина могат да съдържат двойки свръхмасивни черни дупки много по-често, отколкото случайните галактики. Някои от тези черни дупки са заобиколени от огромни количества материал, образувайки акреционен диск, който постепенно ги захранва с материя. Този диск, нагрят от гравитационните сили, свети ярко в целия електромагнитен спектър.

Освен това част от материята се насочва към полюсите на черната дупка и се изхвърля като мощни струи, излъчващи електромагнитно лъчение. Тези активни галактични ядра, наблюдавани като квазари, могат да бъдат толкова ярки, че светлината им да надхвърля тази на всички звезди в галактиката.

Често свръхмасивната черна дупка получава възможност да образува квазар след сливането на две галактики. Този сблъсък осигурява свежи запаси от газ и прах, които захранват черната дупка. По този начин сливането на галактиките сближава двете свръхмасивни черни дупки. Бинарните квазари са системи от две свръхмасивни черни дупки, заобиколени от акреционен диск, който създава квазарна активност.

За целите на изследването екипът специално проучва квазарите с периодични светлинни криви. Симулациите показват, че тези криви могат да бъдат признак за наличието на двойка свръхмасивни черни дупки. Ключов елемент на изследването е колекцията от прецизно въртящи се неутронни звезди, известна като масива от пулсари NANOGrav, които помагат за улавянето на фоновия сигнал на гравитационните вълни от сливането на черните дупки.

Този подход, при който се използват както електромагнитни наблюдения, така и засичане на гравитационните вълни, е пример за мултимесинджърна астрономия – изследване на Вселената с помощта на различни сигнали.

Резултатите от изследването изненадаха екипа: оказа се, че вероятността в ярките квазари да има двойки свръхмасивни черни дупки е по-малка, отколкото в по-слабите. Това е така, защото по-масивните черни дупки се сливат бързо и затова е трудно да бъдат открити.

Следващата стъпка на изследването е да се търсят специално гравитационни вълни и да се търсят широко раздалечени двойки черни дупки, които са предшественици на близки двойки свръхмасивни черни дупки. Това ще помогне за по-доброто разбиране на връзката между квазарите и сливането на галактиките.

Последната дума беше оставена на Кейси-Клайд, който отбеляза значението на бъдещото изследване Legacy Survey of Space and Time (LSST), което ще бъде проведено от обсерваторията Вера Рубин. Тези данни ще бъдат от решаващо значение за прецизиране на броя на бинарните квазари.