Когда галактики сливаются, сверхмассивные черные дыры в их центрах вращаются вокруг друг друга и в конечном итоге сливаются в единую черную дыру. Как мы можем отследить эти массовые слияния?
Охота на массивные связи
С момента первого обнаружения гравитационных волн от пары черных дыр звездной массы в 2015 году гравитационные волны стали мощным инструментом для изучения соединяющихся черных дыр. Но обнаружение чрезвычайно длинных гравитационных волн от слияния сверхмассивных черных дыр — с длинами волн, достигающими десятков световых лет ! - выходит за рамки наших нынешних возможностей. Какие еще методы мы можем использовать для обнаружения этих черных дыр по мере их слияния?
Одна из возможностей состоит в том, чтобы отслеживать электромагнитное излучение , создаваемое горячей плазмой, окружающей черные дыры по мере их сближения. Если мы сможем обнаружить это излучение, мы сможем изучать сверхмассивные черные дыры по мере их слияния и потенциально идентифицировать крошечную долю активных ядер галактик , которые на самом деле питаются от двойных черных дыр , а не от одной черной дыры — это популяция, которая так и не был окончательно обнаружен.
Граница слияния
Группа под руководством Эдуардо Гутьерреса (Аргентинский радиоастрономический институт и Рочестерский технологический институт) использовала общерелятивистское моделирование магнитогидродинамики электромагнитного излучения, возникающего при слиянии двух сверхмассивных черных дыр.
Чтобы предсказать свет, излучаемый системой, Гутьеррес и его коллеги сначала смоделировали движение нагретой плазмы, окружающей черные дыры. Когда черные дыры вращаются вокруг друг друга, окружающий их материал создает диск, окружающий черные дыры, а также мини-диски, окружающие каждую из этих черных дыр. На внутреннем крае большего диска образуется плотная область, называемая «скоплением», которая периодически подает материал на мини-диски.
Затем команда смоделировала извилистый путь фотонов через нагретую плазму и искривленное пространство-время, чтобы достичь наблюдателя на Земле. Результирующий спектр состоит в основном из излучений диска, окружающего двоичный файл, мини-дисков и вещества, соединяющего больший диск с мини-дисками.
Увидев двойное
, Гутьеррес и его соавторы обнаружили , что излучение от слияния сверхмассивных черных дыр должно быть обнаружено, и что существуют значительные различия в излучении от слияния черных дыр и одиночной черной дыры. В частности, двойная система излучает меньше энергии, чем одиночная черная дыра, и пик ее излучения приходится на более низкую частоту, а на частотах выше пика она снижается менее резко. В отличие от одиночной черной дыры, выбросы двойных систем должны вести себя полупериодно; поскольку сгусток, несущий вещество на мини-диски, имеет слегка эллиптическую орбиту, скорость аккреции — и, следовательно, сила излучения — увеличивается по мере того, как сгусток проходит ближе всего к мини-дискам.
Авторы предсказывают, что сигнал от двойной системы черных дыр общей массой в миллиард солнечных масс будет изменяться с периодами ~20 и ~150 дней, а излучение двойной системы с массой в миллион солнечных масс будет меняться через более короткие промежутки времени. Повторные рентгеновские наблюдения должны обнаружить эту изменчивость, определить, вызвано ли излучение одной или двумя черными дырами, и дать нам первое в истории представление о стремлении черных дыр к слиянию.