Миллион солнц в кубическом парсеке: как гравитационные волны раскрывают тайны центров галактик
В недавней публикации в журнале Nature Astronomy астрономы представили результаты, которые меняют наше понимание того, что происходит в ядрах галактик. Ученым удалось оценить плотность вещества вокруг пар сверхмассивных чёрных дыр на уровне миллиона солнечных масс на каждый кубический парсек. И сделали они это не с помощью телескопа, а используя… гравитационные волны.
Гравитационные волны как телескоп
Обычно мы представляем себе наблюдения Вселенной через оптические, радиоволновые или рентгеновские телескопы. Но прямое изучение центров галактик — задача практически невозможная. Там чрезвычайно плотное скопление звезд и тёмной материи, расстояния огромны, а масштабы компактны. Именно здесь на сцену выходят гравитационные волны — рябь пространства-времени, создаваемая движением массивных объектов.
Если сверхмассивные чёрные дыры сближаются после слияния галактик, они излучают низкочастотные гравитационные волны. В отличие от сигналов от чёрных дыр звёздной массы, которые фиксируют детекторы LIGO и Virgo, волны от сверхмассивных пар слишком медленные для наземных установок. Но на помощь приходят массивы миллисекундных пульсаров — природных “космических часов”. Пульсары посылают радиосигналы с невероятной регулярностью, и даже минимальные колебания пространства-времени отражаются в этих сигналах. По таким смещениям исследователи и смогли обнаружить слабый гравитационно-волновой фон всей Вселенной.
Загадка низких частот
Проанализировав фон гравитационных волн, авторы работы обратили внимание на необычный изгиб спектра на низких частотах. Если бы пары чёрных дыр сближались исключительно за счёт излучения волн, такой особенности быть не должно. Вывод был один: на движение чёрных дыр влияет окружающая среда — плотные звёздные скопления и тёмная материя.
Механизм прост в концепции, но впечатляет по масштабу. Звёзды и частицы тёмной материи, пролетающие рядом с двойной чёрной дырой, “выбрасываются” на более дальние орбиты, забирая энергию у самой системы. Таким образом орбиты чёрных дыр сокращаются быстрее, а плотность центрального ядра галактики постепенно выравнивается.
Миллион солнечных масс в кубическом парсеке
Сравнение модели с 15-летними данными проекта NANOGrav показало, что наблюдения лучше всего согласуются с плотностью около (10^6) солнечных масс на кубический парсек. Для понимания масштаба: куб с длиной стороны примерно 3,26 светового года вмещает массу миллиона Солнц. Для ближайших галактических центров такие данные уже подтверждаются оптическими наблюдениями: ядро Млечного Пути и галактики M87 демонстрируют аналогичное распределение плотности.
Интересно, что гипотетические “шипы” тёмной материи, которые могли бы формироваться возле чёрных дыр, данные не поддерживают. Влияние эксцентриситета орбит тоже есть, но чтобы объяснить спектр только вытянутыми орбитами, потребовались бы нереально высокие начальные эксцентриситеты. Следовательно, плотная среда остаётся наиболее правдоподобным объяснением.
Решение проблемы последнего парсека
В астрофизике существует так называемая “проблема последнего парсека”: как пары сверхмассивных чёрных дыр проходят финальные расстояния перед слиянием, если силы гравитационного излучения недостаточны? Новая работа показывает, что взаимодействие с окружающей средой обеспечивает естественный механизм потери энергии, ускоряя слияние и формируя более ровное ядро галактики.
Чем дольше будут наблюдать массивы пульсаров и новые радиотелескопы вроде китайского FAST или будущего Square Kilometre Array, тем точнее удастся измерить спектр на самых низких частотах. Это поможет отделить влияние вытянутых орбит от плотной среды и даст возможность лучше понять, из чего состоят ядра галактик: из звёзд, тёмной материи или их комбинации.
Ранее журналисты сайта «Пронедра» писали, что «Хаббл» разглядел галактику-призрак, состоящую из тёмной материи на 99%
