W jądrze galaktyki Markarian 501 odkryto dwie supermasywne czarne dziury, których odległość i okres orbitalny sugerują finałową fazę zderzenia – być może w ciągu zaledwie stu lat.
W centrach większości masywnych galaktyk kryją się supermasywne czarne dziury, o masach milionów lub nawet miliardów Słońc. Wciąż jednak nie do końca rozumiemy, jak tak olbrzymie obiekty rosną do swoich rekordowych mas. Proste dokarmianie gazem z otoczenia wydaje się zbyt powolne, dlatego od lat podejrzewa się, że ważną rolę odgrywają zderzenia i łączenie się czarnych dziur. Problem w tym, że dotąd nie udało się jednoznacznie sfotografować układu dwóch supermasywnych czarnych dziur w naprawdę małej odległości.
Przełom przyniosły wieloletnie obserwacje galaktyki aktywnej Markarian 501 (Mrk 501), należącej do klasy blazarów – obiektów, w których jeden z relatywistycznych dżetów cząstek skierowany jest niemal dokładnie w stronę Ziemi. Międzynarodowy zespół pod kierunkiem Silke Britzen z Instytutu Radioastronomii im. Maxa Plancka w Bonn przeanalizował 83 zestawy danych z interferometru Very Long Baseline Array (VLBA), zebrane na częstotliwości 43 GHz w latach 2011–2023, uzupełnione wcześniejszymi wynikami na 15 i 8 GHz. Tak długa, jednorodna seria obserwacji o bardzo wysokiej rozdzielczości pozwoliła przyjrzeć się jądrze Mrk 501 z niespotykaną dokładnością.
Już wcześniej wiadomo było, że w centrum galaktyki widoczny jest jeden silny strumień (Jet 1), wybiegający z otoczenia czarnej dziury na skalach parseków. Nowa analiza ujawniła jednak drugi dżet (Jet 2), który – w projekcji na niebo – startuje po przeciwnej stronie jądra i zatacza łuk, poruszając się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara wokół głównego komponentu. Co więcej, całe jądro dżetowe obserwowane na 43 GHz jest wyraźnie przesunięte względem struktury widzianej na 15 GHz, co wskazuje na okresowy ruch poprzeczny całego układu z okresem około siedmiu lat. Podobny okres widoczny jest w zmianach całkowitej jasności radiowej na 43 GHz.
Szczególnie spektakularne dane pochodzą z 24 czerwca 2022 roku. Tego dnia Jet 2 został zarejestrowany w postaci częściowego pierścienia Einsteina, co oznacza, że promieniowanie jednej struktury dżetowej zostało silnie ugięte w polu grawitacyjnym drugiej masywnej czarnej dziury znajdującej się na pierwszym planie. Takie zjawisko soczewkowania grawitacyjnego jest możliwe tylko przy niezwykle precyzyjnym ustawieniu źródła, soczewki i obserwatora, a w tym przypadku silnie wspiera interpretację układu jako bliskiej pary supermasywnych czarnych dziur.
Analiza krzywych blasku i zmian geometrii strumieni sugeruje, że dwie czarne dziury w jądrze Mrk 501 tworzą układ podwójny o okresie orbitalnym około 121 dni. Autorzy pracy rozważają różne scenariusze i dochodzą do wniosku, że najlepiej dane tłumaczy model, w którym mniejsza czarna dziura porusza się po orbicie o precesującej płaszczyźnie, z siedmioletnim okresem precesji i 121-dniowym okresem obiegu. Zakładając zbliżone masy obu składników, ich rozdzielenie wynosi zaledwie 27–128 promieni Schwarzschilda, przy masach rzędu 108–109 mas Słońca każda. To skrajnie mała odległość jak na tak masywne obiekty i jednoznaczny sygnał, że układ znajduje się w końcowej fazie ewolucji.
Z oszacowań wynika, że w zależności od dokładnych wartości mas i momentu pędu orbity odległość między czarnymi dziurami może maleć tak szybko, iż do ich zlania się może dojść w czasie krótszym niż 100 lat. Choć obecne i planowane interferometry radiowe – włącznie z Teleskopem Horyzontu Zdarzeń – nie będą w stanie rozdzielić bezpośrednio obu horyzontów zdarzeń, astronomowie spodziewają się innych sygnałów zbliżającej się kolizji. Tak bliski układ dwóch supermasywnych czarnych dziur powinien emitować fale grawitacyjne o bardzo niskich częstotliwościach, dostępnych dla projektów typu Pulsar Timing Array (PTA), wykorzystujących pulsary milisekundowe jako precyzyjne zegary kosmiczne.
Już dziś układy podwójne supermasywnych czarnych dziur uważa się za najbardziej prawdopodobne źródło niedawno wykrytego tła fal grawitacyjnych przez europejskie i inne międzynarodowe projekty Pulsar Timing Array. Mrk 501 wysuwa się teraz na czoło listy kandydatów, którym można przypisać konkretny wkład w to tło. Jeśli PTA zdołają wykryć sygnał fal grawitacyjnych pochodzący właśnie z tego obiektu, możliwe będzie śledzenie wzrostu ich częstotliwości w czasie, w miarę jak czarne dziury po spirali zbliżają się ku zderzeniu. Dla astrofizyki byłaby to unikatowa okazja do obserwowania – niemal na żywo – łączenia się supermasywnych czarnych dziur, kluczowego procesu w ewolucji galaktyk i ich jąder centralnych.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- First close pair of supermassive black holes detected?
- Detection of a second jet within the nuclear core of Mrk 501
Źródło: MPG
Na ilustracji: Wizualizacja artystyczna przedstawia centrum galaktyki Markarian 501, z którego rozchodzą się dwa potężne dżety. Supermasywna czarna dziura w centrum, której istnienie było już znane, częściowo zakrzywia światło dżetu za nią, tworząc tzw. pierścień Einsteina. Ten zakrzywiony dżet najprawdopodobniej pochodzi z drugiej, nieobserwowanej czarnej dziury. Obserwacje radiowe są widoczne jako kontury w tle. Źródło: Emma Kun / Obserwatorium HUN-REN Konkoly / Wykonano przy wsparciu AI
