Новая модель приближает ученых к пониманию видов световых сигналов, создаваемых тогда, когда две сверхмассивные черные дыры, в миллионы и миллиарды раз превышающие массу Солнца, образуют спираль в преддверии грядущего столкновения. И это стало самым первым случаем, когда новое компьютерное моделирование, полностью учитывающее физические эффекты общей теории относительности Эйнштейна, показало, что газ в таких системах будет светиться преимущественно в ультрафиолетовом и рентгеновском свете.

Здесь показано вращение на 360 градусов вокруг неподвижной версии модели в плоскости диска. © NASA's Goddard Space Flight Center

Практически каждая галактика размером с наш собственный Млечный Путь или превышающая его по размерам имеет в своем центре черную дыру. Наблюдения показывают, что слияния галактик во вселенной - явление довольно частое, но до сих пор наблюдать слияние таких гигантских черных дыр астрономам еще не доводилось.

«Мы знаем, что галактики с центральными сверхмассивными черными дырами постоянно объединяются во вселенной. Но мы можем наблюдать лишь очень малую часть галактик с двумя такими черными дырами вблизи их центров», - рассказал Скотт Нобл, астрофизик из Центра космических полетов NASA им. Годдарда в Гринбелте, Мэриленд. - «Пары, которые мы можем видеть, не испускают сильных сигналов гравитационных волн, потому что они располагаются слишком далеко друг от друга. И наша цель заключает я в том, чтобы обнаружить - исключительно по свету - еще более близкие пары, сигналы гравитационной волны которых могут быть обнаружены в будущем».

Ученые уже выявили слияния черных дыр со звездными массами, варьирующимися от трех до нескольких десятков солнечных масс. Для этого ими была задействована Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория Национального научного фонда США (LIGO). Гравитационные волны - это пространственно-временные ряби, движущиеся со скоростью света. Они образуются, когда массивные орбитальные объекты, такие как черные дыры и нейтронные звезды, скручиваются в спираль и сливаются.

На этой компьютерной модели сверхмассивных черных дыр в 40 орбитах от слияния газ ярко светится. Подобные модели могут в конечном итоге помочь ученым определить реальные примеры этих мощных двоичных систем. © NASA’s Goddard Space Flight Center

Но сверхмассивные слияния найти будет более затруднительно и проблематично, чем просто черные дыры похожей звездной массы. Одна из причин, по которой наземные обсерватории не могут обнаружить гравитационные волны от этих событий, состоит в том, что сама Земля создает слишком много шумов, трясясь от сейсмических колебаний и гравитационных изменений от атмосферных возмущений. Поэтому соответствующие детекторы и датчики должны находиться в космосе, например, космическая антенна лазерного интерферометра (LISA), разрабатываемая ESA (Европейским космическим агентством), которую планируется запустить в 2030-х годах. Обсерваторные комплексы, ведущие наблюдения за быстро вращающимися сверхплотными звездами, которые называются пульсарами, способны обнаруживать гравитационные волны, образующихся вследствие слияния космических монстров. Подобно маякам, пульсары регулярно испускают синхронизированные лучи света, которые вспыхивают и расширяются при вращении. Гравитационные волны могут вызывать незначительные изменения в периодичности этих вспышек, но до сих пор исследования никакой закономерности в этом не выявили.

Но у сверхмассивных черных дыр, приближающихся к столкновению, может быть одна вещь, которой нет в двойных системах сравнимых звездных масс, а именно, богатая газом среда. Ученые подозревают, что взрыв сверхновой, вследствие которого образуется новая черная дыра, буквально сдувает большую часть окружающего газа. Черная дыра поглощает все то, что ее окружает, так быстро, что в результате, когда происходит слияние, практически не остается материала для свечения.

С другой стороны, сверхмассивные двойные черные дыры являются результатом слияний галактик. Каждая черная дыра сверхкрупных размеров сопровождается облаками газа и пыли, звездами и планетами. Ученые считают, что столкновение галактик сдвигает большую часть этого материала в сторону центральных черных дыр, которые потребляют его в масштабе времени, аналогичном тому, которое необходимо для объединения бинарных частиц. По мере приближения к черным дырам магнитные и гравитационные силы нагревают оставшийся газ, «зажигая» свет, который и должны увидеть наши астрономы.

«Очень важно продолжать работу на двух направлениях», - считает соавтор проекта Мануэла Кампанелли, директор Центра вычислительной относительности и гравитации при Рочестерском технологическом институте в Нью-Йорке, где этот проект был запущен девять лет назад. - «Моделирование этих событий требует сложных вычислительных инструментов, которые включают все физические эффекты, создаваемые двумя сверхмассивными черными дырами, вращающимися вокруг друг друга со скоростью, близкой к скорости света. А знание того, какие световые сигналы ожидать от этих событий, поможет современным наблюдателям правильно идентифицировать их. На следующих этапах моделирование и наблюдения будут соединяться, дополняя друг друга, помогая нам лучше понять, что происходит в сердце большинства галактик».

Новое моделирование отображает лишь три орбиты пары сверхмассивных черных дыр из 40 орбит слияния. Модели показывают, что на этой стадии процесса свет может излучаться в ультрафиолетовом диапазоне с небольшим количеством высокоэнергетических рентгеновских лучей, аналогичных тем, что наблюдаются в любой галактике с хорошо выраженной сверхмассивной черной дырой.

Это 360-градусное видео как бы помещает зрителя в середину двух круговых сверхмассивных черных дыр в 18,6 миллионах миль (30 миллионов километров) друг от друга с орбитальным периодом 46 минут. Модель показывает, как черные дыры искажают звездный фон и захватывают свет, создавая силуэты черных дыр. Отличительная особенность, называемая фотонным кольцом, отображает контур черных дыр. Вся эта система имеет массу примерно в миллион раз превышающую массу Солнца. © NASA’s Goddard Space Flight Center; background, ESA/Gaia/DPAC

Когда черные дыры сливаются, три области светоизлучающего газа накаляются; все они соединены потоками горячего газа: большое кольцо, окружающее всю систему, которое называется круговым диском, и два меньших вокруг каждой черной дыры, так называемые мини-диски. Все эти объекты испускают преимущественно ультрафиолетовое излучение. Когда газ течет в мини-диск с высокой скоростью, ультрафиолетовый свет диска взаимодействует с короной каждой черной дыры, областью высокоэнергетических субатомных частиц выше и ниже диска. Это взаимодействие дает рентгеновское излучение. Когда скорость аккреции ниже, ультрафиолетовый свет становится более тусклым относительно рентгеновских лучей.

Основываясь на проведенном моделировании, исследователи ожидают, что рентгеновские лучи, испускаемые на грани слияния, будут более яркими и более переменными, чем рентгеновские лучи, которые наблюдаются исходящими из одиночных сверхмассивных черных дыр. Темп изменений связан как с орбитальной скоростью газа на внутреннем крае кругового диска, так и со скоростью слияния черных дыр.

«То, как черные дыры отбрасывают свет, приводит к сложным эффектам линзирования (см. видео), когда одна черная дыра проходит перед другой», - говорит Стефан д'Асколи, докторант высшей школы École Normale Supérieure в Париже и ведущий автор статьи. - «Некоторые экзотические черты стали для нас неожиданностью, например, тени в форме бровей, которые одна черная дыра иногда создает вблизи горизонта другой».

Моделирование проводилось на суперкомпьютере в программе Blue Waters Национального центра суперкомпьютерных приложений в Университете штата Иллинойс в городе Урбана-Шампейн. Моделирование трех орбит системы заняло 46 днефй на 9600 вычислительных ядрах. Кампанелли сообщила, что команде исследователей было недавно предоставлено дополнительное время на Blue Waters, чтобы продолжить разработку своих моделей.

Базовое моделирование оценивает температуру газа. Команда планирует улучшить свой код для моделирования того, как изменяющиеся параметры системы, такие как температура, расстояние, общая масса и скорость аккреции, будут влиять на излучаемый свет. Исследователей интересует то, что происходит с газом, мигрирующем между двумя черными дырами, а также моделирование более длинных промежутков времени.

«Нам нужно найти сигналы в свете супермассивных двойных черных дыр, достаточно отличающихся от других подобных, чтобы астрономы могли находить эти редкие системы среди толп ярких одиночных сверхмассивных черных дыр», - заявил соавтор исследования Джулиан Кролик, астрофизик из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе. - «Если мы сумеем это сделать, то сможем