Сближение двух сверхмассивных черных дыр, начавшееся всего через миллиард лет после Большого взрыва, может объяснить загадочный избыток гравитационных волн во Вселенной. К такому выводу ученые пришли, подтвердив существование редчайшей пары квазаров и показав, что слияния гигантских галактик в ранней Вселенной происходили гораздо чаще, чем считалось.
Одни из самых ярких объектов на просторах космоса — квазары — возникают, когда сверхмассивная черная дыра (СМЧД) в центре галактики активно поглощает вещество: разогретые газ и пыль начинают светиться ярче самой галактики. Если сталкиваются две галактики, активными могут стать обе СМЧД — тогда и появляется пара близких квазаров. Такие системы помогают астрономам понять, как растут черные дыры и галактики, однако найти их на больших расстояниях очень трудно.
Одним из кандидатов была система J2037-4537, обнаруженная в обзоре Dark Energy Survey. Выглядела она как два очень близких ярких источника, расположенных на расстоянии около 24 тысяч световых лет друг от друга. Оба источника имели признаки квазаров с одинаковым красным смещением (z = 5,7), но сомнение оставалось.
Это мог быть и один квазар, разделенный в глазах наблюдателя эффектом гравитационного линзирования, при котором массивный объект между источником и Землей искривляет свет и может создавать несколько изображений одного и того же квазара.
Чтобы проверить, действительно ли это пара квазаров, международная группа астрономов под руководством Минхао Юэ (Minghao Yue) из Университета Аризоны (США) проанализировала данные наблюдений, полученных с помощью телескопа ALMA. Выяснилось, что между двумя объектами присутствовал характерный след настоящего слияния галактик. Более того, в одной из них были искаженные структуры, типичные для гравитационного взаимодействия. Если бы все объяснялось эффектом линзирования, исследователи увидели бы симметричные дуги, а не следы столкновения.
Полученные данные позволили окончательно подтвердить, что J2037-4537 — настоящая пара квазаров в процессе слияния. Обе галактики оказались очень массивными — более 10 миллиардов масс Солнца каждая — и активно формировали звезды со скоростью свыше 500 солнечных масс в год. Для сравнения, Млечный Путь производит всего одну-две солнечные массы в год.
Авторы работы, опубликованной на сервере препринтов Корнеллского университета, заключили, что близкие пары квазаров в ранней Вселенной встречались куда чаще, чем сегодня: не менее 1,2 процента против примерно 0,1 процента в более поздние эпохи. Это важно, поскольку со временем такие пары превращаются в двойные системы СМЧД, которые при слиянии создают мощные гравитационные волны.
Дальнейшее изучение этой пары квазаров поможет понять процессы в ранней Вселенной и объяснить сильный фон гравитационных волн, который сегодня фиксируют такие международные проекты, как Pulsar Timing Array.