Международная группа ученых получила новые указания на существование двойной сверхмассивной черной дыры в далекой галактике с помощью “Радиоастрона”.

Галактика OJ 287 находится на расстоянии 5 миллиардов световых лет от нас и не является обычным объектом на небе. Она принадлежит к особой категории галактик, называемых блазарами. Главной характеристикой блазара является то, что в его центре находится сверхмассивная черная дыра, аккрецирующая вещество, газ и пыль. Более того, пара осесимметричных релятивистских плазменных струй выбрасывается из центральной области и один из джетов направлен в сторону Земли. Точный механизм формирования этих струй до сих пор неизвестен. OJ 287 замечателен еще по одной причине. В его центре находится не одна, а две сверхмассивные черные дыры, причем вторичная (менее массивная) вращается вокруг первичной, дважды пронзая ее аккреционный диск каждые 12 лет. Эта система является единственным известным кандидатом на роль тесной двойной сверхмассивной черной дыры.

Один из главных вопросов, связанных сегодня с образованием сверхмассивных черных дыр, заключается в том, как пара таких черных дыр сливается в конечном итоге — так называемая проблема финального парсека. Их гравитационное излучение, как мы ожидаем, вскоре может быть обнаружено с помощью интерферометров космических гравитационных волн, что окончательно подтвердит существование двойной системы в OJ 287.

Рисунок, иллюстрирующий двойную сверхмассивную черную дыру.
Источник: R. Hurt (NASA/JPL) & Abhimanyu Susobhanan (Tata Institute of Fundamental Research).

Связь между этими открытыми вопросами достигается благодаря элегантному методу наблюдений, известному как радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами (РСДБ). Принцип РСДБ, предложенный советскими учеными Л.И. Матвеенко, Н.С. Кардашевым и Г.Б. Шоломицким в прошлом веке, заключается в одновременном наблюдении источника на небе разными телескопами. Синхронизация сигнала с каждой антенны и последующая корреляция позволяет восстанавливать изображения удаленных астрофизических объектов с высочайшим угловым разрешением, эквивалентным тому, которое достигалось бы телескопом размером с Землю. При этом, чем больше собирательная поверхность и чем короче длина волны наблюдения, тем выше угловое разрешение.

Международной группе исследователей из разных институтов мира, включая российские Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Московский Физико-Технический Институт и Крымскую Астрофизическую обсерваторию, удалось восстановить изображение OJ 287 с самым высоким разрешением (уровнем четкости), достигнутым на сегодняшний день, используя наземно-космические РСДБ-наблюдения. Участие 10-метровой орбитальной антенны «Спектр-Р» (космическая миссия «Радиоастрон», возглавляемая АКЦ ФИАН при поддержке Роскосмоса), помогло сформировать виртуальный радиотелескоп размером в 15 раз больше Земли. При этом было достигнуто разрешение около 12 угловых микросекунд или около 2 световых месяцев. Другими словами, полученное изображение настолько детализировано, что обладая таким разрешением, можно с Земли увидеть монету в 1 рубль на поверхности Луны.

«Мы еще никогда не наблюдали внутреннюю структуру кандидата в сверхмассивную двойную черную дыру OJ 287 с такой четкостью», — говорит главный руководитель лабораторий в ФИАН и МФТИ, член-корреспондент Юрий Ковалев.

Анализ полученных изображений показал, что плазменная струя объекта сильно изогнута, что подтверждает предсказания модели двойной сверхмассивной черной дыры. Наблюдения в поляризованном свете визуализировали топологию магнитного поля самой внутренней части струи и подтвердили его тороидальную конфигурацию. То есть начало джета оказалось пронизано спиральным магнитным полем.

«Эти результаты помогли нам продвинуться еще на один шаг в расширении наших знаний о морфологии релятивистских джетов вблизи центральной машины, подтвердить роль магнитных полей в запуске джетов. Мы получили новые указания на двойную систему сверхмассивных черных дыр в сердце OJ 287», — заключает ведущий научный сотрудник ФИАН и КрАО, профессор РАН Александр Пушкарев.

Руководитель Астрокосмического центра ФИАН, доктор физико-математических наук Сергей Лихачев добавляет: «В настоящий момент Астрокосмический центр ФИАН разрабатывает новое поколение наземно-космического интерферометра, проект «Миллиметрон». Он позволит напрямую построить изображение двойной черной дыры и ее окружения в центре этой и других галактик».

Публикация

J. L. Gómez и др. "Probing the innermost regions of AGN jets and their magnetic fields with RadioAstron. V. Space and ground millimeter-VLBI imaging of OJ 287". The Astrophysical Journal, 924, 122 (2022) 

Коллаж, показывающий системы наблюдений и изображения искривленного джета в активной галактике OJ 287. Сверху вниз: глобальная группа радиотелескопов, включая  космическую обсерваторию “Спектр-Р” (диаметр 10 м, не в масштабе) проекта “Радиоастрон”, обеспечивает наблюдения с рекордным разрешением 12 микросекунд дуги или около 2 световых месяцев; изображения, полученные в диапазоне миллиметровых и сантиметровых волн на наземных радиоинтерферометрах. © Эдуардо Рос (MPIfR); радиоизображения от Gómez и др. (The Astrophysical Journal, 2022 г.); Земной шар от worldmapgenerator.com; схематическое изображение «Радиоастрон» от НПО им. С.А. Лавочкина.

АНИ «ФИАН-информ»