Сверхмассивная чёрная дыра кажется почти неподвижным центром галактики, вокруг которого вращаются звёзды и газ. Однако общая теория относительности допускает гораздо более неожиданную картину: после слияния двух чёрных дыр образовавшийся объект может получить мощный толчок и покинуть галактическое ядро. Международная группа астрономов обнаружила статистические признаки именно такого движения, проанализировав около 100 тысяч квазаров. Результат согласуется с теоретическим предсказанием, сделанным десять лет назад.
В центрах большинства крупных галактик находятся чёрные дыры массой от миллионов до миллиардов солнечных. Когда галактики сталкиваются и объединяются, их центральные чёрные дыры постепенно сближаются, образуют двойную систему и в конечном счёте могут слиться. При этом пространство-время испытывает колебания, распространяющиеся наружу в виде гравитационных волн. Если излучение оказывается несимметричным, оно уносит суммарный импульс в определённом направлении, а новообразованная чёрная дыра получает отдачу в противоположную сторону.
Этот эффект напоминает отдачу ружья, хотя вместо пули импульс уносят гравитационные волны. Скорость выброшенного объекта может достигать нескольких миллионов километров в час. При достаточно сильном толчке чёрная дыра способна покинуть галактику, но при меньшей скорости остаётся гравитационно связанной с ней. Тогда она проходит через центральную область, удаляется, замедляется и начинает двигаться обратно, совершая длительные колебания.
Как обнаружить такое движение на расстоянии миллиардов световых лет? Помогают квазары — чрезвычайно яркие активные ядра галактик, где вещество падает к сверхмассивной чёрной дыре. Газ при приближении к ней разогревается и интенсивно излучает, позволяя исследовать условия в непосредственной близости от объекта. Саму чёрную дыру увидеть невозможно, но движение окружающего вещества оставляет измеримые следы в спектре света.
Астрономы сравнивают излучение газа, расположенного рядом с чёрной дырой, и более удалённых газовых областей галактики. Если центральный объект движется вместе с ближайшим газом, их спектральные линии оказываются смещены относительно линий вещества, связанного с галактикой. Это проявление эффекта Доплера, знакомого по изменению высоты звука сирены проезжающей машины. В данном случае измеряется составляющая относительной скорости вдоль направления наблюдения.
Второй показатель — покраснение света из-за космической пыли. Пылевые частицы сильнее ослабляют коротковолновое излучение, поэтому свет проходящего сквозь них квазара становится краснее. Чем сильнее такое ослабление при прочих равных условиях, тем больше пыли может находиться на пути излучения. Именно сочетание скорости и покраснения позволило проверить гипотезу, предложенную Петером Раффаи, Золтаном Хайманом и Жолтом Фраем в 2016 году.
Их расчёты предсказывали необычную зависимость. Выброшенная чёрная дыра, колеблющаяся вокруг галактического центра, должна двигаться быстрее при прохождении центральной области, где обычно сосредоточено больше газа и пыли. Следовательно, квазары с большими измеренными скоростями центрального объекта должны в среднем выглядеть более красными. У отдельных галактик эту связь трудно заметить из-за различий в строении и условиях наблюдения, но большая выборка позволяет обнаружить общую закономерность.
Команда под руководством Бенце Бекси проверила предсказание по каталогу квазаров Слоановского цифрового обзора неба. Исследователи отобрали объекты с достаточно качественными спектрами и сопоставили относительные скорости газовых компонентов с показателями покраснения. Ожидаемая зависимость действительно проявилась: более высокие скорости в среднем соответствовали более сильному покраснению. Особенно заметным результат оказался среди сильно запылённых объектов.
Доля квазаров с выраженным пылевым поглощением в группе самых высоких скоростей оказалась втрое больше, чем среди объектов с наиболее низкими скоростями. Исследователи проверили устойчивость результата при разных способах отбора и измерения данных. Важная дополнительная проверка показала, что при сравнении спектральных линий газовых областей, не следующих за предполагаемым движением чёрной дыры, положительная корреляция исчезала.
Однако статистическая закономерность ещё не равнозначна прямому обнаружению гравитационной отдачи. Движение газа, особенности строения активных ядер и другие процессы способны влиять на спектральные линии и покраснение. Авторы считают выброс чёрных дыр естественным объяснением полученных данных, но подчёркивают необходимость дальнейших наблюдений. Если интерпретация верна, сравнительно недавние слияния могли произойти примерно в половине исследованных квазаров, хотя эта оценка остаётся неопределённой.
Открытие важно и для будущей гравитационно-волновой астрономии. Космическая обсерватория LISA, запуск которой планируется на 2035 год, будет использовать три аппарата, разделённые расстояниями около 2,5 миллиона километров, для регистрации низкочастотных гравитационных волн. Такие сигналы должны возникать при сближении и слиянии сверхмассивных чёрных дыр. Если статистические следы отдачи действительно указывают на многочисленные прошлые слияния, они помогут оценивать частоту подобных событий и уточнять прогнозы для LISA.
А затем «Добавить на главный экран».
