Зіткнення галактик є фундаментальними подіями у Всесвіті. Вони відбуваються, коли дві системи змішують зірки в космічному танці. Вони також викликають вражаючі злиття надмасивних чорних дір. Результатом є одна дуже змінена галактика та унікальна надмасивна чорна діра. Ці колосальні події є головною силою в еволюції галактик. Це те, як менші галактики поєднуються, щоб утворити все більші. Такі злиття відбуваються з найдавніших епох космічного часу.
Злиття Galaxy тривають і сьогодні. Наш Чумацький Шлях продовжує поглинати менші, і через кілька мільярдів років він зіткнеться з Галактикою Андромеди. Коли це станеться, надмасивні чорні діри обох галактик також можуть злитися.
Ми не бачимо весь процес від початку до кінця, оскільки для його завершення потрібні мільйони років. Проте це не заважає астрономам шукати – і знаходити – докази зіткнень галактик і надмасивних чорних дір.
Останнє відкриття використано за допомогою космічного телескопа Хаббл (HST), щоб помітити три яскраві видимі світлові «гарячі точки» глибоко всередині пари галактик, що стикаються. Ці цілі лежать відносно близько до нас – лише на відстані приблизно 800 мільйонів світлових років від нас.
Астрономи продовжили спостереження Чандри та радіодані з дуже великого масиву Карла Г. Янського.
Як правило, галактики з яскравими ядрами, які називаються активними галактичними ядрами (скорочено AGN), існують дуже далеко. Їх часто можна побачити раніше в космічному часі. Можливість вивчити галактику та пару надмасивних чорних дір під час зіткнення в «сучасному» сусідньому Всесвіті — це вдалий час для вивчення механіки такої події.
Виявлення початкових зіткнень надмасивних чорних дір
Відкриття майбутнього космічного зіткнення сталося, коли Advanced Camera for Surveys від HST виявила три оптичні дифракційні шипи в серці галактики, що стикається, під назвою MCG-03-34-64. Дві з цих гарячих точок здаються дуже близькими одна до одної – лише приблизно 300 світлових років одна від одної. Вони відстежують наявність кисню в ядрі. Він іонізується чимось дуже енергетичним, і гарячі точки здивували астрономів. (Третя гаряча точка не зовсім зрозуміла.)
«Ми не очікували побачити щось подібне», — сказала Анна Тріндаді Фалькао з Центру астрофізики | Гарвард і Смітсонівський інститут у Кембриджі, Массачусетс. «Це зображення не є звичайним явищем у сусідньому Всесвіті, і воно говорить нам, що всередині галактики відбувається щось інше».
Фалькао та її колеги хотіли знати, що стало причиною цих яскравих плям. Тож вони використали рентгенівську обсерваторію Chandra, щоб зосередитися на події.
«Коли ми подивилися на MCG-03-34-64 в рентгенівському діапазоні, ми побачили два розділених, потужних джерела високоенергетичного випромінювання, що збігалися з яскравими оптичними точками світла, які спостерігав Хаббл. Ми зібрали ці частини разом і дійшли висновку що ми, ймовірно, дивилися на дві близько розташовані надмасивні чорні діри”, – сказав Фалькао.
Команда також знайшла спостереження цих об’єктів в архівних даних радіотелескопа. Ці потужні радіовипромінювання довели, що пара чорних дір існує і наближається одна до одної.
«Коли ви бачите яскраве світло в оптичних, рентгенівських і радіохвилях, багато речей можна виключити, залишаючи висновок, що це можна пояснити лише близькими чорними дірами», — зазначив Фалькао. «Коли ви збираєте всі частини разом, ви отримуєте картину дуету AGN».
Майбутня колізія
Ці центральні надмасивні чорні діри зіткнуться, можливо, через сто мільйонів років. Кожен з них знаходиться в центрі однієї галактики. Коли ці галактики все ближче наближаються, чорні діри в їхніх серцях почнуть взаємодіяти. Згодом вони зіллються в потужну подію, випромінюючи гравітаційні хвилі як частину процесу.
Астрономи припускають (за допомогою моделювання та спостережень), що злиття галактик із надмасивними чорними дірами викликає велику активність. Під час зіткнень міжзоряний газ тече до галактичних центрів.
Він також стискається в інших регіонах, і обидві дії викликають спалахи зореутворення. Деяка кількість газу також накопичується на цих центральних надмасивних чорних дірах, викликаючи збільшення викидів, оскільки матеріал обертається по спіралі через акреційний диск.
Ці злиття відбуваються постійно у Всесвіті. Моделі еволюції галактик у поєднанні з даними спостережень свідчать про те, що багато AGN у серцях галактик зазнають злиття. Зіткнення надмасивних пар чорних дір у цих AGN також свідчить про те, що ці чорні діри ростуть через злиття.
Зіткнення надмасивних чорних дір і майбутні виявлення
Розуміння злиття близьких AGN, таких як ті, що спостерігаються в MCG MCG-03-34-64, пропонує унікальне вікно в останні стадії того, що астрономи називають бінарним злиттям SMBH. Такі події є і залишатимуться основним способом вимірювання ефекту цих злиттів. Вони запропонують широке поле для дослідження з використанням обсерваторій, чутливих до світла в усьому спектрі, а також майбутніх детекторів гравітаційних хвиль.
Ці виявлення вимагатимуть вдосконалених версій Гравітаційно-хвильової обсерваторії лазерного інтерферометра (LIGO), яка зробила свої перші виявлення лише кілька років тому. Гравітаційні хвилі, викликані злиттям надмасивних чорних дір, стануть ціллю майбутніх інструментів, таких як LISA (скорочення від Laser Interferometer Space Antenna).
Він розгорне три космічні детектори на відстані мільйони миль один від одного, щоб уловлювати довгохвильові гравітаційні хвилі, що випромінюються під час зіткнення гігантів чорної діри, таких як ті, що в MCG-03-34-64. Оскільки ці злиття відбуваються по всьому Всесвіту, це буде багате поле дослідження, яке значною мірою сприятиме нашому розумінню злиття галактик як частини космічної еволюції.