Столкновение сверхмассивных черных дыр через 100 лет? Мы проверили расчеты

Столкновение двух черных дыр

Что бывает, когда сталкиваются две сверхмассивные чёрные дыры? Этого ещё никто не видел. Но столкновения более лёгких чёрных дыр от нескольких до более чем ста солнечных масс теперь регулярно фиксируют. С 2015 года детекторы гравитационных волн зарегистрировали более двухсот кандидатов и подтверждённых сигналов.

Гравитационная волна это рябь пространства от кружения тяжёлых объектов друг вокруг друга. Но гиганты в центрах больших галактик другие. Их масса может достигать десятков миллиардов Солнц. В апреле 2026 года группа Сильке Бритцен из Института радиоастрономии Общества Макса Планка в Бонне объявила о возможной близкой паре.

Галактика называется Маркарян 501. Пресс-релиз говорит: две чёрные дыры "могут слиться всего за сто лет", в зависимости от их действительных масс. Но заголовок Общества Макса Планка спрашивал: "Обнаружена первая близкая пара сверхмассивных чёрных дыр?" Тема видео именно этот вопрос.

Сначала безопасное: галактика более чем в 440 миллионах световых лет от нас. Световой год это пройденное светом за год расстояние, около девяти с половиной триллионов километров. Происходящее там не может коснуться Земли. Почему две гигантские чёрные дыры должны оказаться вместе?

Что на самом деле увидели астрономы? Откуда взялись "сто лет" и выдерживает ли это число проверку? А если они сольются, заметит ли кто-нибудь? Мы прочитали статью и повторили расчёты, чтобы показать источник каждой цифры.

Галактики сталкиваются, и их черные дыры тоже должны встретиться

Начнём с гигантов. Сверхмассивная чёрная дыра может иметь массу от примерно ста тысяч до десятков миллиардов масс Солнца. Галактики притягиваются, сталкиваются и медленно сливаются. При слиянии каждая приносит центральную чёрную дыру.

Поэтому рано или поздно эти дыры должны встретиться. Вот слияние, пойманное на полпути. Это эн джи си шесть два четыре ноль, примерно в четырёхстах миллионах световых лет от нас. Внутри запутанного свечения две сверхмассивные чёрные дыры, примерно в трёх тысячах световых лет друг от друга.

Более тесную пару нашли в галактике ноль четыре ноль два плюс три семь девять. Такие расстояния измеряют в парсеках: один парсек равен примерно трём целым трём десятым светового года. В ноль четыре ноль два плюс три семь девять дыры примерно в семи парсеках друг от друга, то есть примерно в двадцати трёх световых годах. Вместе они весят около пятнадцати миллиардов Солнц, а оборот занимает около тридцати тысяч лет.

Она примерно в 750 миллионах световых лет от нас, и в 2017 году астрономы сообщили о признаках их движения друг вокруг друга. Даже Роджер Романи, астроном из той работы, хотел найти систему с оборотом "за несколько десятилетий". Но последнего шага мы ясно не видели: настолько тесной пары, что она вот-вот сольётся. И вот почему этот шаг так трудно поймать.

Проблема последнего парсека для черных дыр

В 1980 году астрофизики Митчелл Бегельман, Роджер Блэндфорд и Мартин Рис написали в Nature короткую статью. Они спросили, что происходит, если в активной галактике две массивные чёрные дыры обращаются друг вокруг друга. Активная галактика это галактика, где центральная чёрная дыра поглощает вещество и ярко светит. Они предположили объяснение изогнутых или прецессирующих радиоджетов.

Джет это узкий поток горячего заряженного газа, выброшенный у чёрной дыры почти со скоростью света. Прецессировать значит покачиваться, как волчок с медленно описывающей круг осью. Они сказали: идею можно проверить прямыми последствиями орбитального движения. Сначала каждая дыра опускается к центру из-за динамического трения.

Это сопротивление тяжёлому объекту: его гравитация тянет скопление звёзд. Связанные в пару, две дыры сближаются, выбрасывая звёзды. Пролетевшая мимо пары звезда вылетает, как камень из пращи. Каждая звезда уносит часть орбитальной энергии, и пара сжимается.

Представьте фигуристов: держась за руки, они бросают наружу тяжёлые мячи, и каждый бросок сближает их. Но в простейших моделях круглой галактики без столкновений звёзды на нужных орбитах быстро заканчиваются. Тогда теория предсказывала остановку пары около парсека. Гравитационные волны тоже уносили энергию, но там были слишком слабы.

Одними гравитационными волнами орбита сжималась бы дольше возраста Вселенной. Так возникла проблема последнего парсека, термин из статьи 2003 года Милоша Милосавлевича и Дэвида Мерритта. Предложено несколько решений. Одно решение: настоящие галактики не бывают идеально круглыми.

В сплюснутой, так называемой трёхосной галактике звёзды продолжают идти к центру по новым орбитам. Исследование 2015 года показало: этого достаточно, и слияния происходят примерно за миллиард лет или меньше. Другая идея: третья чёрная дыра из более позднего слияния встряхивает и сближает пару. Третья идея 2024 года связана с тёмной материей.

Тёмная материя это невидимая масса, удерживающая галактики; её обнаруживают только по гравитации. Если её частицы могут сталкиваться, скопление вокруг дыр пополняется, и сопротивление продолжается. В этой модели пара с главной чёрной дырой массой около трёх миллиардов Солнц может слиться примерно за срок от 100 миллионов до миллиарда лет. Но сторонники модели отмечают: данные не отличают этот эффект от влияния звёзд и газа.

У проблемы последнего парсека есть решения, но никто не знает, какое работает в настоящих галактиках. Подтверждённая пара глубоко внутри последнего парсека стала бы сильным доказательством, что природа проходит этот барьер.

Markarian 501, давний подозреваемый

Маркарян 501 это блазар. Блазар это активная галактика с джетом, направленным почти прямо на нас, поэтому она очень яркая. Она сияет в гамма-лучах очень высокой энергии, поэтому её называют TeV-блазаром. Это один из ближайших известных блазаров с красным смещением ноль целых тридцать четыре тысячных.

Красное смещение показывает, как расширение Вселенной растянуло свет по пути к нам; малые числа означают близкий объект. Она находится в созвездии Геркулеса. Раньше астрономы уже подозревали, что в ней две чёрные дыры. В 2000 году Франк Ригер и Карл Маннхайм заметили примерно 23-дневный ритм вспышек рентгеновского и гамма-излучения во всплеске 1997 года.

Они предложили двойную систему с орбитой примерно от 6 до 14 лет. Это была другая модель и другие числа, не нынешняя новость. В 2023 году группа Сильке Бритцен изучила 23 года радиоизображений Маркарян 501. Изображения получили на Very Long Baseline Array, системе из десяти одинаковых 25-метровых радиотарелок от Гавайев до Американских Виргинских островов.

Сигналы записывают на каждом пункте и объединяют, поэтому тарелки работают как один телескоп шириной около восьми тысяч километров. Такое расстояние позволяет видеть гораздо более мелкие детали, чем одиночная тарелка. Они обнаружили, что внутренний и гораздо более крупный внешний джеты направлены примерно под углом 90 градусов друг к другу. Детали джета смещались вбок, под прямым углом к нему.

Та статья не заявляла о двойной системе: колеблющееся основание джета и двойная система были лишь возможностями для проверки.

Второй джет

Исследование Monthly Notices of the Royal Astronomical Society использовало более чёткие снимки той же решётки. Группа изучила 83 наблюдения 2011-2023 годов на 43 гигагерцах. Сорок три гигагерца дают больше деталей, чем прежние пятнадцать гигагерц. Их сопоставили с прежними результатами на пятнадцати и восьми гигагерцах.

Авторы сообщают о другом джете: похоже, он начинается напротив главного, со стороны контрджета, и огибает ядро. Они называют его Джетом два. По пресс-релизу, он направлен иначе, поэтому его труднее заметить. Статья предполагает: на прежних снимках его могли принять за яркий край главного джета.

Бритцен: "Мы так долго его искали, и потом стало полной неожиданностью, что мы смогли не только увидеть второй джет, но и проследить его движение". Она сказала: "Анализировать данные было всё равно что находиться на корабле". На 43 гигагерцах система джетов смещается вбок примерно за семь лет.

Общая яркость растёт и падает похожим циклом примерно за семь целых четыре десятых года. Яркость ядра намекает на более короткий ритм около ста двадцати одного дня. Запись яркости объекта во времени называется кривой блеска. Статья говорит, что 121-дневный период "плохо ограничен".

Джет два, похоже, возвращался к прежней форме примерно каждые 146 дней, плюс-минус около трёх недель. Группа считает: каждый джет исходит от своей чёрной дыры, а дыры обращаются друг вокруг друга каждые несколько месяцев. Их орбитальная плоскость медленно качается, поэтому джеты поворачиваются каждые семь лет. По их словам, такая двойная система "может разумно объяснить" увиденное.

При равных массах аннотация оценивает массу каждой дыры примерно от 100 миллионов до миллиарда солнечных масс. Тогда расстояние между дырами было бы от двадцати семи до ста двадцати восьми радиусов Шварцшильда. Радиус Шварцшильда это размер области невозврата чёрной дыры. Для чёрной дыры в миллиард Солнц он примерно в 20 раз больше расстояния от Земли до Солнца.

Пресс-релиз говорит иначе: примерно от 250 до 540 расстояний между Землёй и Солнцем. Расстояние от Земли до Солнца, около 150 миллионов километров, называется астрономической единицей. Максимум: около ноль целых двадцать шесть десятитысячных парсека. Такая пара была бы более чем в две тысячи раз ближе пары в ноль четыре ноль два плюс три семь девять, глубоко внутри последнего парсека.

С Земли промежуток примерно в пять раз слишком мал даже для Event Horizon Telescope, сети, сфотографировавшей чёрную дыру M87, чтобы их различить.

Кольцо Эйнштейна на один день

Есть подсказка из одного дня июня 2022 года. В тот день части Джета два почти замыкаются в круг вокруг ядра. Тяжёлые объекты искривляют свет рядом с ними. Это предсказание теории гравитации Эйнштейна называется гравитационным линзированием. Если источник света прямо за тяжёлым объектом, свет может размыться вокруг него в круг: кольцо Эйнштейна.

Hubble снял такие кольца вокруг целых галактик. По пресс-релизу, тогда система выстроилась на одной линии с Землёй. Передняя чёрная дыра искривила свет второго джета за собой. Общество Макса Планка назвало кольцо "одним объяснением, согласующимся" с двойной системой.

Но арифметика статьи даёт неожиданный поворот. Чёрная дыра такой массы может изогнуть свет в такое кольцо, только если он идёт издалека, примерно от десяти до ста парсеков. Это в тысячи раз больше промежутка между двумя чёрными дырами. Поэтому авторы считают: кольцо даёт далёкая часть Джета два, а не область у второй дыры.

Если так, это поразительная подсказка. Но это одно ясное частичное кольцо, более тусклые дуги видны ещё несколько дней; трактовка зависит от модели. Само по себе оно не даёт независимого подтверждения.

Откуда взялись «100 лет»

А теперь главная цифра. В пресс-релизе сказано, что пара может слиться "всего за 100 лет", в зависимости от их настоящих масс. Один материал прямо назвал условие. Если массы чёрных дыр близки к миллиарду солнечных масс, окончательное слияние "может произойти всего через столетие".

В статье показан собственный путь к этому числу. Она берёт из более ранней работы около 700 миллионов Солнц для всей системы. Она берёт 146-дневный период движения джета, около 141 дня после устранения растяжения света расширением Вселенной. Третий закон Кеплера связывает длительность оборота и расстояние между телами при известной массе.

Это даёт расстояние примерно 470 астрономических единиц. Дальше идёт стандартная формула Филипа Питерса, впервые выведенная в 1964 году, для скорости потери энергии орбитой из-за гравитационных волн. При равных массах и круговой орбите статья говорит, что пара проживёт как минимум ещё 250 оборотов. 250 оборотов по 141 дню, это чуть меньше ста лет.

Мы сами повторили расчёт. Мы тоже получили около четырёхсот семидесяти астрономических единиц, но время жизни ближе к ста девяноста годам, почти четыреста восемьдесят оборотов. Это всё ещё согласуется с "как минимум 250", но делает 100 лет нижней границей оценки. И ответ сильно зависит от массы.

При общей массе сто миллионов Солнц ожидание вырастает почти до пяти тысяч лет. При 2 миллиардах Солнц ожидание падает примерно до 30 лет. Если одна чёрная дыра в десять раз тяжелее другой, ожидание примерно втрое дольше. Если 121-дневный ритм и есть настоящая орбита, ожидание короче, около 110 лет при массе из статьи.

Поэтому "100 лет" не является твёрдым прогнозом для этой пары. В самой статье есть ещё одна оговорка. В иллюстративной модели прецессии узла авторов 7-летний цикл требует очень вытянутой орбиты с эксцентриситетом около 0,8 или больше. Эксцентриситет показывает вытянутость орбиты: ноль, это круг, а значения, близкие к единице, означают длинные тонкие овалы.

В статье отмечено, что для такой орбиты нужна более точная оценка времени жизни пары. По нашей оценке с формулой Питерса, при массе из статьи, гравитационное сближение такой орбиты заняло бы всего около пяти лет. Это совсем другая история, чем 100 лет. Если настоящая орбита вдвое короче или длиннее найденного периода, все числа снова меняются.

Если 146-дневная закономерность не орбита, она не может дать период для этого расчёта. Сама статья указывает на слабое место в определении времени Джета два. Телескоп смотрел через неравные промежутки, и авторы пишут, что такая выборка мешает их методу. 83 наблюдения примерно за 12 лет, это около одного раза в семь или восемь недель, а искомый ритм длится всего четыре-пять месяцев.

В среднем это два или три взгляда за цикл. Для ритма яркости они использовали стандартный инструмент поиска циклов в неравномерных данных. Он показывает вероятность случайного пика, но мы не нашли теста на случайное мерцание, способное имитировать цикл, с этой ловушкой мы встретимся в следующей главе.

Мы проверили восемь новостных материалов и крупные научные сайты, но не нашли цитаты независимого от группы эксперта. ScienceAlert был одним из немногих, кто прямо сказал, что это "не окончательное обнаружение".

Прежние заявления о парах черных дыр

Маркарян пятьсот один не первая заявленная тесная пара. Прежние истории предупреждают. Самая известная, О Джей два восемь семь, это блазар, вспыхивающий примерно каждые двенадцать лет. В двойной модели чёрная дыра около 150 миллионов Солнц обращается вокруг другой, около 18 миллиардов Солнц, каждые 12,06 года. Эта модель предсказала вспышки в тысяча девятьсот девяносто пятом, две тысячи пятом, две тысячи седьмом и две тысячи пятнадцатом годах.

В 2023 году группа Штефани Комоссы не нашла вспышку, предсказанную на октябрь 2022 года. Они оценили главную чёрную дыру примерно в 100 миллионов Солнц и выбрали другие двойные модели. Маури Валтонен ответил: вспышка пришлась на летний перерыв, когда источник невидим с Земли. В 2026 году его группа сообщила об октябрьской вспышке другого типа. Спор продолжается.

Есть Пи Джи один три ноль два минус один ноль два, квазар с яркостью, повторявшейся, как казалось, примерно каждые пять лет. В 2016 году Саймон Вон и коллеги показали: сильные случайные долгие колебания несколько циклов выглядят периодическими. Такое мерцание называют красным шумом. Для Пи Джи один три ноль два минус один ноль два они обнаружили: простой случайный процесс подходит лучше постоянной волны.

Пи Кей Эс два один три один минус ноль два один, ещё один кандидат с радиоритмом примерно в пять лет, видимым за сорок пять лет данных. Модель его команды предполагает двухлетнюю орбиту и слияние примерно через десять тысяч лет. Но сигнал, похоже, исчез примерно на два десятилетия: с 1984 по 2005 год. Для предполагаемой пары в галактике 3C 66B астрономы измеряли импульсы

пульсаров, вращающихся мёртвых звёзд, ограничивая массы и орбиты. Анализ две тысячи двадцать шестого года исключил часть ещё допустимых вариантов. M87, галактика, чью тень снял Event Horizon Telescope, даёт главное предостережение. Её джет раскачивается примерно 11-летним циклом, прослеженным по 22 годам радиоданных.

Но исследование объяснило джет одной вращающейся чёрной дырой. Вращающаяся чёрная дыра увлекает пространство, и наклонённый газовый диск может колебаться. Физики называют это прецессией Лензе-Тирринга. Статья Бритцен две тысячи двадцать третьего года считает колебание одной чёрной дыры вариантом для Маркарян пятьсот один.

Новая статья рассматривает волны, закручивающие джет, смещающееся радио-ядро и ударные волны, но считает их недостаточными. Мы не нашли проверки для M87 объяснения одной вращающейся чёрной дырой. Поэтому колебания джета сами по себе не доказывают двух чёрных дыр. Маркарян пятьсот один отличается вторым джетом и возможным кольцом.

Поэтому это серьёзный, но пока только кандидат.

Фон гравитационных волн

Даже не видя эту пару напрямую, можно попробовать услышать такие пары. В июне 2023 года команда NANOGrav объявила о свидетельствах медленного фона гравитационных волн. Они использовали пульсары, мёртвые звёзды, вращающиеся сотни раз в секунду и проводящие радиолуч мимо Земли, как маяки. Гравитационная волна растягивает и сжимает пространство между нами и каждым пульсаром.

Поэтому импульсы приходят раньше или позже. За пятнадцать лет NANOGrav измерил время импульсов шестидесяти семи пульсаров и нашёл по всему небу связанные сдвиги в узоре, который должны создавать гравитационные волны. Статистическая значимость была примерно от 3,5 до 4 сигм. Сигма измеряет, насколько маловероятен результат при чистой случайности; физики обычно называют 5 сигм открытием.

Команды Европы, Индии, Австралии и Китая сообщили похожие результаты в тот же день. NANOGrav заявил: сигнал согласуется со множеством пар сверхмассивных чёрных дыр, но не исключает другие источники. Ни одна отдельная пара ещё не выделена из этого фона. Пресс-релиз называет Маркарян 501 перспективным кандидатом для связи этих волн с одной конкретной парой.

Соавтор Эктор Оливарес выразил надежду так: "мы даже можем увидеть, как их частота неуклонно растёт, пока два гиганта закручиваются к столкновению". По нашему расчёту, при массе из статьи рост составил бы около 2 процентов за десять лет. При общей массе 100 миллионов Солнц это было бы около одной десятой процента, при 2 миллиардах, около 15 процентов.

Сможем ли мы обнаружить их слияние?

Если сольются, это заметят? Герц это одна волна в секунду. По статье, сигнал примерно восемьдесят миллиардных долей герца. Статья: будущая пульсарная программа Square Kilometre Array сможет измерить частоты до

ста миллиардных долей герца после наблюдений более 20 пульсаров свыше десяти лет. Square Kilometre Array, строящаяся гигантская радиообсерватория Южной Африки и Австралии. Восемьдесят миллиардных, частота орбиты; круговая орбита даёт волны вдвое чаще. По нашему расчёту, около ста шестидесяти миллиардных долей герца, чуть выше диапазона.

Волна идёт около десяти недель. Первое столкновение LIGO в 2015 прошло примерно от 35 до 250 герц, в слышимом диапазоне. Чтобы достичь низшей слышимой частоты, волны пары надо ускорить примерно в сто миллионов раз. Поиск NANOGrav одиночных пар был чувствительнее всего около шести миллиардных долей герца.

LISA, следующий крупный детектор, миссия Европейского космического агентства: утверждена в январе 2024 года, запуск примерно в 2035 году. Три связанных лазерами аппарата полетят треугольником со стороной около двух с половиной миллионов километров. LISA слушает примерно от одной десятитысячной герца до одного герца. LISA подходит для пар от примерно 100 тысяч до 10 миллионов Солнц.

По нашей грубой оценке, при массе из статьи финальное падение пары было бы около шести миллионных долей герца. Это микрогерцевый разрыв между диапазонами пульсарных измерений и LISA. Исследование 2021 года назвало эту полосу "самым большим пробелом" гравитационно-волнового неба. Сейчас нет детектора для этого разрыва.

Медленное сближение может оставить след в пульсарных измерениях или ускоряющемся ритме джета, но пока никто не показал, что это обнаружимо.

А может, это уже произошло?

Ещё о "100 годах". Мы видим свет Маркарян пятьсот один, покинувший её сотни миллионов лет назад. Тамошнее происходящее увидим лишь после прихода света. Если слияние увидим через столетие, там оно произошло намного раньше.

Новости ещё не дошли. По словам Popular Science, настоящую развязку, скорее всего, никто не увидит. Скоро это можно проверить. Если короткий ритм повторится при более частых наблюдениях, гипотеза двойной системы усилится.

Если исчезнет, как сигналы других кандидатов, она ослабнет. Ускорение ритма с годами закручивает пару внутрь. Если двойная система подтвердится, это станет сильным доказательством, что некоторые галактики преодолевают барьер последнего парсека. До тех пор Маркарян пятьсот один остаётся тем, что предполагает заголовок Общества Макса Планка.

Обнаружением с вопросительным знаком.