9 miliardów lat świetlnych od Ziemi, w centrum odległej galaktyki aktywnej, odkryto parę supermasywnych czarnych dziur. Obiekty obiegają się co dwa lata, co przypomina kosmiczny taniec. Emisja fal grawitacyjnych powoduje, że odległość między nimi maleje. Za zaledwie 10 tys. lat mogą się ze sobą zderzyć.

Międzynarodowy zespół naukowców przedstawił dowody na istnienie pary supermasywnych czarnych dziur w centrum galaktyki o nazwie PKS 2131-021, odległej od Ziemi o prawie 9 miliardów lat świetlnych. − Dwie supermasywne czarne dziury, każda setki milionów razy bardziej masywna niż Słońce, obiegają się wzajemnie z okresem około 2 lat. Ten kosmiczny taniec jest źródłem fal grawitacyjnych o ogromnej mocy, których emisja powoduje, że odległość między czarnymi dziurami szybko maleje. Szacuje się, że zderzą się one i połączą ze sobą za zaledwie około 10 tys. lat – mówi dr Przemysław Mróz z Obserwatorium Astronomicznego UW, który uczestniczył w badaniach i jest współautorem artykułu opisującego odkrycie w czasopiśmie „Astrophysical Journal Letters”.

Dżety w kwazarach

Galaktyka PKS 2131-021 jest kwazarem, czyli galaktyką aktywną o ogromnej mocy. Astronomowie uważają, że w centrum każdego kwazara znajduje się olbrzymia czarna dziura, która pochłania spadający na nią gaz. − W niektórych kwazarach tworzą się dżety, czyli strugi materii wyrzucanej z kwazara z prędkością bliską prędkości światła. Badana galaktyka należy do niewielkiej podgrupy kwazarów, zwanej blazarami, w których dżet jest skierowany w kierunku obserwatora na Ziemi. Kwazary emitują promieniowanie elektromagnetyczne w szerokim zakresie – od promieniowania rentgenowskiego, przez optyczne, aż po radiowe − wyjaśnia astronom.

Czarne dziury w układzie

Jak informuje naukowiec z OA UW, ruch czarnych dziur powoduje, że dżet zmienia swoje położenie, co skutkuje okresowymi zmianami jasności galaktyki w zakresie radiowym. Takie zmiany jasności zostały odkryte w archiwalnych danych zbieranych przez trzy amerykańskie obserwatoria radiowe: Owens Valley Radio Observatory (OVRO), University of Michigan Radio Astronomy Observatory (UMRAO) i Haystack Observatory.

− Kiedy zdaliśmy sobie sprawę, że archiwalne dane gromadzone przez ostatnie 45 lat wskazują na okresowe zmiany jasności kwazara, zrozumieliśmy, że to wyjątkowy obiekt – mówi dr Mróz. Naukowiec był odpowiedzialny za matematyczne modelowanie krzywej blasku kwazara. Zauważył, że zazwyczaj kwazary charakteryzują się chaotyczną zmiennością, a ten obiekt jaśniał i słabł bardzo regularnie.

Szybki obieg

Czarne dziury, znajdujące się w centrum galaktyki PKS 2131-021, są oddalone od siebie o około 2000 jednostek astronomicznych (jedna jednostka astronomiczna to średnia odległość między Ziemią a Słońcem) i obiegają się wzajemnie z okresem zaledwie około 2 lat. Dla porównania, kometa znajdująca się w odległości 2000 jednostek astronomicznych od Słońca obiega je z okresem 90 tys. lat.

Naukowcy uważają, że supermasywne czarne dziury znajdują się w centrach wszystkich galaktyk, w tym także w Drodze Mlecznej. − Kiedy galaktyki łączą się ze sobą, co było stosunkowo częste w młodym Wszechświecie, znajdujące się w ich środkach czarne dziury powinny utworzyć parę, a w końcu połączyć się. Temu procesowi powinna towarzyszyć emisja fal grawitacyjnych. Jak dotąd nie potwierdzono obserwacyjnie tej teorii. Odkrycie pary supermasywnych czarnych dziur w galaktyce PKS 2131-021 daje nadzieję, że to się wkrótce zmieni – wyjaśnia astronom.

Fale grawitacyjne z kwazara

Fale grawitacyjne zostały po raz pierwszy wykryte bezpośrednio przez obserwatoria LIGO i Virgo, w pracach których udział biorą astronomowie z UW. Supermasywne czarne dziury w centrum galaktyki PKS 2131-021 są dziesiątki milionów razy bardziej masywne niż czarne dziury wykrywane przez LIGO i Virgo. Emitowane przez nie fale grawitacyjne mają znacznie niższą częstotliwość niż możliwa do wykrycia przez LIGO i Virgo, ale mogą być wykrywane dzięki precyzyjnym obserwacjom pulsarów.

Autorzy publikacji sądzą, że odkrycie pary czarnych dziur w kwazarze PKS 2131-021 powinno zostać potwierdzone w ciągu najbliższych kilku lat przez eksperymenty wykorzystujące pulsary do poszukiwania fal grawitacyjnych o niskiej częstotliwości, takie jak European Pulsar Timing Array (EPTA) czy North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav).

− Znamy bardzo małą liczbę potwierdzonych podwójnych supermasywnych czarnych dziur obiegających się wzajemnie, a nowo odkryty obiekt ma najkrótszy okres orbitalny z nich. Jest on bardzo ciekawy i unikatowy – podsumowuje mówi dr hab. Szymon Kozłowski z Obserwatorium Astronomicznego UW, ekspert w dziedzinie zmienności kwazarów.