Пульсары указали на редкость слияний чёрных дыр во Вселенной

Пульсары указали на редкость слияний чёрных дыр во Вселенной

Викрам Рави (Vikram Ravi) из Мельбурнского университета и Райан Шеннон (Ryan Shannon) из Государственного объединения научных и прикладных исследований (оба — в Австралии) нанесли серьёзный удар по нынешней картине формирования сверхмассивных чёрных дыр (СМЧД), населяющих центры галактик нашей Вселенной.

Человечество находит квазары — активные ядра галактик, содержащих СМЧД, которые легко обнаруживаются по излучению из их окрестностей, — на огромных расстояниях от Земли. Самые древние из них старше 13 млрд лет, что на фоне истории Вселенной, вряд ли насчитывающей более 13,8 млрд лет, выглядит предельно загадочно. Получается, что после возникновения мироздания и реионизации, сделавшей возможным формированием звёзд, на образование СМЧД было очень мало времени — настолько, что всё расчёты показывали: набор ими огромной массы только за счёт поглощения окружающего газа и пыли невозможен. Нужен другой путь, и астрономы объясняли сверхбыстрое возникновение полноценных СМЧД их слиянием.

Над тем, как проверить такую гипотезу, и задумались Викрам Рави и Райан Шеннон. То есть задумались они далеко не первыми, благо ясно, что слияние двух СМЧД породит гравитационные волны, «рябь» пространства-времени, искажающие те области, через которые такие волны проходят. Однако до сих пор на констатации необходимости поиска таких волн всё и заканчивалось: чувствительности земной аппаратуры для регистрации их пока не хватает. И Рави с Шеннононом попробовали подсчитать, насколько такие гравитационные волны должны влиять на другие космические процессы, и нет ли среди этих процессов таких, которые мы уже способны обнаруживать с должной надёжностью.

По их мнению, это должны быть пульсары — быстро вращающиеся нейтронные звёзды, от которых до нас доходит радиоизлучение, периодичность которого связана с периодом вращения нейтронной звезды. Оказалось, что регулярное вращение такого объекта должно весьма серьёзно возмущаться гравитационными волнами от сливающихся пар чёрных дыр, и земные инструменты уже сегодня могут это зафиксировать. Осознав это, астрономы предприняли попытку их поиска — то есть, по сути, вознамерились косвенно зарегистрировать гравитационные волны. Для соответствующих наблюдений использовался радиотелескоп Паркса, точнее — его архив многолетних наблюдений за двадцатью пульсарами. Если бы гравитационные волны от слияний ЧД тяжелее миллиона масс Солнца и впрямь проходили через районы расположения любого из двадцати пульсаров, следы этого почти наверняка присутствовали бы в изменении периодичности поступления радиосигналов.

Да, идея небезупречна: сами нейтронные звёзды могут слегка менять периодичность вращения по ряду причин, относящихся к их собственной природе и не связанных с гравитационными волнами. Однако такие глитчи, во-первых, до некоторой степени изучены. А во-вторых, в статистике наблюдений их сравнительно мало — и есть нейтронные звёзды, являющихся пульсарами без значимых глитчей.

И вот итог наблюдений Рави и Шеннона: статистка поведения известных пульсаров не позволяет предположить возможности частого слияния чёрных дыр как основного механизма их роста. Это означает, что СМЧД должны становиться сверхмассивными с помощью иных средств — скажем, пожирая межзвёздный газ.

У выводов австралийцев есть две кажущиеся уязвимыми тонкости. Во-первых, совершенно не ясно, как СМЧД умудрились столь консервативным способом набрать массу почти сразу после реионизации. Сегодня чёрные дыры с такой скоростью не растут нигде, и имеющиеся теории, описывающие поглощение материи чёрными дырами, пока не позволяют предположить, какие механизмы позволяли им так быстро заглатывать газ.

Во-вторых, мы совершенно точно знаем, что галактики сливаются: к примеру, наша собственная является продуктом многократных слияний, да и в будущем она неизбежно сойдётся с туманностью Андромеды, а затем и с галактикой Треугольника. Когда это происходит, СМЧД тоже должны «воссоединяться». И если слияние галактик — частое событие, то таковы должны быть и гравитационные волны, вызываемые ими. Иными словами, если статистика пульсаров их не показывает, то часть СМЧД при слиянии галактик как-то избегает соединений и поглощений. Но как?

Наконец, исследователи идут ещё дальше. Поскольку при слиянии галактик так или иначе столкновения и слияния хотя бы части СМЧД не избежать, то и сам факт частого слияния галактик как основного пути роста массы крупнейших галактик может оказаться под вопросом. Следовательно, они также могли «набрать вес» за счёт интенсивного использования газа, а не столкновений.

Похоже, перед нами тот вид исследований, который порождает больше интригующих вопросов, чем давно искомых ответов:

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Science, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам The Conversation. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.