Черная дыра может получить настолько сильный удар при слиянии, что покинет родную галактику на скорости около 1000 километров в секунду. Физики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Техасского университета в Остине восстановили вероятную историю RBH-1, одного из самых убедительных кандидатов в сверхмассивные черные дыры, выброшенные из галактики гравитационной отдачей. Расчеты показали, какое столкновение могло разогнать космического гиганта почти до наблюдаемой скорости.
Странный объект привлек внимание астрономов после анализа снимков «Хаббла», полученных в сентябре 2022 года. Примерно в 7,5 млрд световых лет от Земли исследователи заметили тонкую структуру длиной более 202 000 световых лет, которая тянется от галактики GX. На дальнем конце следа находится компактный источник без заметной звездной составляющей, удаляющийся со скоростью около 1000 километров в секунду. Исследователи предположили, что перед ними сверхмассивная черная дыра, которая летит через межгалактический газ, сжимает вещество и запускает образование молодых звезд за собой.
Последующие наблюдения «Джеймса Уэбба» укрепили интерпретацию RBH-1 как убегающей сверхмассивной черной дыры. Скорость объекта оценивается в 954 километра в секунду с диапазоном неопределенности примерно от 828 до 1064 километров в секунду. Авторы новой работы решили двигаться в обратном направлении и определить, какая пара черных дыр могла создать настолько мощную гравитационную отдачу.
При слиянии двух черных дыр часть энергии покидает систему в виде гравитационных волн. При достаточно асимметричной конфигурации волны уносят импульс неравномерно, поэтому объединенная черная дыра получает толчок в противоположную сторону. Общая теория относительности допускает отдачу в тысячи километров в секунду, но для экстремального ускорения требуются определенные массы, скорости вращения и ориентации двух исходных объектов.
Команда смоделировала сотни тысяч возможных пар сверхмассивных черных дыр и оставила конфигурации, способные воспроизвести скорость RBH-1. Расчеты ограничили отношение масс исходной пары примерно шестью к одному. Одной разницы в массе для наблюдаемого ускорения оказалось недостаточно. Без подходящего вращения отдача даже при крупном слиянии не превышала примерно 200 километров в секунду, почти в пять раз меньше необходимой скорости.
Главную роль сыграло вращение. Более массивная черная дыра, согласно расчетам, должна была вращаться примерно на 70-75% от предельной скорости, которую допускает общая теория относительности. Оси вращения двух объектов при слиянии не совпадали с орбитальной осью системы, а сама конфигурация прецессировала. Именно быстрое и неправильно ориентированное вращение позволило гравитационным волнам создать достаточно сильную асимметрию и выбросить объединенную черную дыру из галактического центра.
Реконструкция позволила заглянуть еще глубже в прошлое и оценить происхождение самой галактики GX. Две сверхмассивные черные дыры к подобной стадии космической истории обычно уже занимали центры собственных галактик, поэтому встрече космических гигантов должно было предшествовать столкновение двух галактик. Расчеты указывают на крупное и богатое газом слияние, причем более массивная галактика превосходила меньшую не более чем примерно в четыре раза.
Ориентация вращения двух галактик, вероятно, тоже не совпадала. После столкновения звездная система постепенно стабилизировалась, а центральные черные дыры продолжили сближение. К моменту их окончательного слияния галактика GX уже успела сформировать относительно цельную структуру. Авторы оценивают промежуток между галактическим столкновением и слиянием черных дыр примерно в 70 млн лет.
RBH-1 особенно интересует физиков из-за редкости подобных наблюдений. Общая теория относительности предсказывает, что заметную гравитационную отдачу должна получать часть сверхмассивных черных дыр после слияния, однако найти убедительный пример крайне сложно. Черная дыра сама по себе почти не излучает свет, а спустя некоторое время после выброса может оказаться далеко от яркого ядра галактики. В случае RBH-1 космический гигант выдал длинный след молодых голубых звезд, возникших в сжатом газе вдоль траектории движения.
Авторы рассматривают RBH-1 не как прямую запись самого столкновения, а как возможность восстановить давно завершившееся событие по оставшимся следам. Наблюдения «Хаббла» и «Джеймса Уэбба» дают скорость и свойства окружающей структуры, а численное моделирование позволяет ограничить параметры исходной пары. Подход открывает возможность изучать слияния сверхмассивных черных дыр задолго до появления приборов, способных непосредственно регистрировать создаваемые такими системами гравитационные волны.
Наземные обсерватории LIGO и Virgo регистрируют более высокочастотные сигналы, характерные прежде всего для слияний гораздо менее массивных компактных объектов. Сверхмассивные черные дыры создают гравитационные волны значительно более низких частот. Для их поиска Европейское космическое агентство готовит орбитальную обсерваторию LISA. По оценке авторов исследования, системы, похожие на предшественника RBH-1, могут стать для LISA чрезвычайно яркими источниками гравитационных волн.
Поиск новых убегающих черных дыр с помощью «Джеймса Уэбба» позволит заранее понять, какие слияния сверхмассивных объектов происходили во Вселенной и насколько часто итоговая черная дыра получает мощный гравитационный толчок. RBH-1 фактически связывает два способа наблюдения одного процесса: телескопы позволяют увидеть последствия древнего столкновения, а LISA в будущем сможет зарегистрировать сам гравитационно-волновой сигнал подобных катастроф