Astrofizycy z Uniwersytetu Oksfordzkiego i Instytutu Maxa Plancka proponują nowy sposób tropienia blisko krążących supermasywnych czarnych dziur – po powtarzających się błyskach światła gwiazd soczewkowanych przez ich grawitację.
Supermasywne czarne dziury mogą zdradzić swoją podwójną naturę w zaskakujący sposób: jako „kosmiczne latarnie”, które co kilka lat rozbłyskują w naszym kierunku nie własnym światłem, lecz wzmocnionym blaskiem pobliskich gwiazd. W nowej pracy opublikowanej w „Physical Review Letters” zespół Hanxi Wang, Miguela Zumalacárreguiego i Bencego Kocsisa pokazuje, że takie rozbłyski mogą ujawnić układy podwójne supermasywnych czarnych dziur ukryte w pozornie spokojnych jądrach galaktyk.
Ukryty taniec w centrach galaktyk
W centrach większości galaktyk znajdują się supermasywne czarne dziury o masach sięgających milionów lub miliardów mas Słońca. Gdy dwie galaktyki się zlewają, ich centralne czarne dziury powinny utworzyć układ podwójny, powoli zacieśniając swoje orbity i zbliżając się ku sobie oraz emitując fale grawitacyjne. Problem w tym, że takich bardzo ciasnych układów podwójnych w samym centrum galaktyki – tych tuż przed zderzeniem – wciąż nie znamy z bezpośrednich obserwacji.
Dotychczasowe metody polegają najczęściej na analizie zmienności jasności aktywnych jąder galaktycznych albo śledzeniu ruchu gazu i gwiazd w ich otoczeniu, co wymaga obecności jasnego dysku akrecyjnego. Tymczasem wiele galaktyk nie wykazuje cech aktywnego jądra – ich jądra są optycznie spokojne, choć mogą kryć blisko orbitujące pary supermasywnych czarnych dziur.
Czarne dziury jako naturalne teleskopy
Nowa koncepcja opiera się na zjawisku soczewkowania grawitacyjnego, w którym masywny obiekt zakrzywia tor biegu światła. Supermasywna czarna dziura w takim przypadku zachowuje się jak naturalny teleskop: światło gwiazdy znajdującej się w tej samej galaktyce, lecz za czarną dziurą, może zostać skupione i silnie wzmocnione.
Dla pojedynczej czarnej dziury ekstremalne soczewkowanie pojawia się tylko wtedy, gdy gwiazda leży prawie idealnie na linii widzenia, więc takie zjawiska są bardzo rzadkie. W układzie podwójnym sytuacja wygląda inaczej: dwie masywne soczewki tworzą złożoną strukturę obszarów bardzo silnego wzmocnienia jasności (tzw. kaustyk), w których niewielki obszar za układem staje się strefą ogromnego wzmocnienia jasności źródeł tła. W obliczeniach autorów centralna kaustyka ma kształt przypominający diament, a gwiazdy, które znajdą się w jej zasięgu, mogą na krótko pojaśnieć nawet tysiące razy względem normalnej jasności.
Migające sygnały z układów podwójnych
Kluczowa jest dynamika samego układu podwójnego. Supermasywne czarne dziury krążą wokół wspólnego środka masy, a emisja fal grawitacyjnych stopniowo zacieśnia ich orbitę i przyspiesza ruch. Wraz z ewolucją orbity obraca się i kurczy także diamentowa kaustyka, omiatając coraz to inne gwiazdy znajdujące się w tle.
Za każdym razem, gdy jasna gwiazda przejdzie przez tę strefę, obserwator zobaczy krótki, bardzo silny rozbłysk soczewkowanego światła w jądrze galaktyki. Ponieważ układ wykonuje pełny obrót w czasie od kilku do kilkunastu lat, takie rozbłyski mogą tworzyć kwaziokresowy ciąg – z charakterystycznym odstępem czasowym między kolejnymi pikami jasności. Co więcej, subtelne zmiany tego okresu oraz maksymalnej jasności kolejnych pików odzwierciedlają, jak szybko układ traci energię i jak zmienia się jego orbita. Analiza takich krzywych blasku pozwala wyznaczyć przybliżone masy obu czarnych dziur, okres orbitalny, a nawet tempo zacieśniania się orbity przed ostatecznym zderzeniem.
Co istotne, proponowana metoda nie wymaga, by jądro galaktyki było otoczone jasnym dyskiem gazu ani by emisja promieniowania była ciągła i silna. Wystarcza obecność pojedynczych, dość jasnych gwiazd położonych za układem podwójnym w jego galaktyce macierzystej – to czyni tę technikę szczególnie obiecującą dla „cichych” jąder galaktycznych.
Od Obserwatorium Very Rubin po Kosmiczny Teleskop Roman
Szansa na wykrycie takich zjawisk rośnie wraz z uruchomieniem przeglądów nieba o szerokim polu nowej generacji. Obserwatorium Very Rubin w Chile, realizujące przegląd Legacy Survey of Space and Time, będzie przez około dekadę wielokrotnie fotografować całe południowe niebo, monitorując zmienność jasności milionów galaktyk w różnych filtrach fotometrycznych. Kosmiczny Teleskop Roman ma z kolei obserwować niebo z wysoką rozdzielczością i dużą głębokością, umożliwiając długotrwałe śledzenie bardzo słabych zmian jasności w jądrach odległych galaktyk.
Autorzy pracy pokazują numeryczne symulacje krzywych blasku gwiazd soczewkowanych przez supermasywne układy podwójne – z powtarzającymi się, wąskimi i bardzo wysokimi pikami jasności odpowiadającymi przejściom przez kaustykę. Algorytmy używane dziś do poszukiwania supernowych czy zjawisk mikrosoczewkowania w Drodze Mlecznej mogą zostać dostosowane do wyłuskiwania kwaziokresowej zmienności tego rodzaju w jądrach galaktyk.
Nowe okno na fale grawitacyjne
Kwaziokresowe soczewkowanie światła gwiazd przez supermasywne układy podwójne – opisane w pracy skrótem QPLS – ma jeszcze jeden atut: dobrze wpisuje się w rozwój astronomii wykorzystującej zarówno fale elektromagnetyczne, jak i grawitacyjne. Te same układy powinny być w przyszłości źródłami fal grawitacyjnych wykrywanych z jednej strony dzięki długotrwałym pomiarom czasu przyjścia impulsów wielu pulsarów milisekundowych, a z drugiej – przez planowane kosmiczne interferometry, takie jak LISA czy chiński TianQin.
W wielu scenariuszach rozbłyski QPLS pojawiłyby się na niebie na lata, a nawet miliony lat przed wejściem układu w zakres czułości detektorów fal grawitacyjnych, dając astronomom wczesne ostrzeżenie o zbliżającym się zderzeniu dwóch olbrzymich czarnych dziur. Dzięki temu przyszłe kampanie obserwacyjne mogłyby być planowane zawczasu, z dobrze znaną pozycją na niebie i oszacowanymi parametrami układu, co znacząco zwiększyłoby szanse na udane, równoczesne obserwacje elektromagnetyczne i grawitacyjne.
Choć pierwsze realne przykłady takich migających supermasywnych układów podwójnych najpewniej dopiero przed nami, nowa praca sugeruje, że mogą one kryć się już teraz w istniejących i przyszłych danych przeglądowych – wystarczy nauczyć się rozpoznawać charakterystyczny przebieg krzywych blasku, jaki pozostawia grawitacyjny taniec par supermasywnych czarnych dziur.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- New method could reveal hidden supermassive black hole binaries
- Black Holes as Telescopes: Discovering Supermassive Binaries through Quasiperiodic Lensed Starlight
Źródło: MPG
Na ilustracji: Wizja artystyczna światła gwiazd soczewkowanego grawitacyjnie (pomarańczowy) przez układ podwójny supermasywnych czarnych dziur. Pierścień Einsteina jest pokazany na niebiesko. Źródło: Symulacja fizyczna ulepszona przy użyciu sztucznej inteligencji
