При помощи телескопа VLT Южной Европейской обсерватории в Чили астрономы обнаружили две сверхмассивные чёрные дыры в ядрах галактики NGC 7727 в созвездии Водолея на расстоянии 89 миллионов световых лет. Это ближайшая из обнаруженных на сегодня таких систем. Второе ядро является остатком поглощённой небольшой галактики. Чёрные дыры с массами 154 миллиона и 6 миллионов масс Солнца в двух ядрах галактики также расположены на рекордно близком расстоянии 1600 световых лет друг от друга и в будущем должны слиться, вызвав всплеск гравитационных волн.
Галактика с обозначением NGC 7727 находится в созвездии Водолея на расстоянии 89 миллионов световых лет. По галактическим меркам это не очень далеко: например, галактика Туманность Андромеды, ближайшая крупная галактика в Местной группе, удалена на 2,5 миллиона световых лет. NGC 7727, хоть и находится вне Местной группы, но в пределах расстояний «Местного Сверхскопления галактик», или Сверхскопления Девы — следующей иерархической единицы объектов глубокого космоса.
Галактика относится к типу пекулиарных галактик — объектов «неправильной» формы, не укладывающихся в наивную морфологическую классификацию галактик по шкале «спиральные — эллиптические». Часто такие образования представляют собой результат недавнего слияния двух или нескольких галактик. В 2018 году в галактике NGC 7727 открыли второе ядро и она стала объектом-кандидатом, в котором заподозрили существование второй сверхмассивной чёрной дыры кроме «основной», которая предполагается в центре многих галактик. Второе ядро галактики находится на небольшом расстоянии от главного ядра и имеет ту же самую радиальную скорость, что и «основная» галактика, что указывает на связь между ними (то есть скопление звёздной материи, маркирующее второе ядро, именно принадлежит галактике, а не является, скажем, фоновым объектом на пути светового луча). Близость к нам NGC 7727 позволяет детальнее исследовать кинематику звёзд вблизи её ядер, поэтому астрономы принялись искать в ней вторую чёрную дыру. Ближайшая из известных ранее пар сверхмассивных чёрных дыр находится в галактике с обозначением NGC 6240 в созвездии Земееносца на расстоянии 144 мегапарсек — в шесть раз дальше, чем NGC 7727.
Массу чёрной дыры, как и любого крупного космического объекта, можно определить по движению гравитационно связанных с ним тел; в данном случае звёзд или звёздных скоплений. Чем более массивный объект в ядре Галактики, тем сильнее он притягивает звёзды вблизи него, соответственно тем быстрее они движутся вокруг ядра. Таким же методом, по кинетике ближайших звёзд, исследуют и сверхмассивную чёрную дыру в центре нашей Галактики (подробнее про это можно прочитать в отдельном материале на нашем сайте; Нобелевская премия по физике 2020 года была присуждена именно за открытие этого объекта). В удалённых галактиках отдельные звёзды рассмотреть нельзя, но можно изучать спектр излучения массива звёзд, в котором выделяются характерные линии, соответствующие каким-либо химическим элементам — как и в звёздах поблизости. Астрономы изучали спектры ярких звёзд вблизи обоих ядер галактики, используя спектрометр MUSE в составе телескопа VLT (Very Large Telescope) Южной Европейской обсерватории, расположенного в пустыне Атакама в Чили. Статья по результатам спектроскопических исследований этой галактики в ноябре 2021 года вышла в Astronomy & Astrophysics. По доплеровскому уширению линий можно определить разброс в скоростях звёздной материи. Если звёзды вращаются вокруг центрального массивного тела (сверхмассивной чёрной дыры) с некоторой большой скоростью, очевидно, в каждый момент в системе будет множество звёзд, движущихся прямо на нас (максимальное фиолетовое смещение линий) и от нас (максимальное красное смещение). Доплеровский сдвиг линий всех остальных звёзд, которые движутся под разными углами к лучу зрения, очевидно, будет располагаться между этими пределами, а сами пределы дают «истинные» скорости вращения звёзд, по которым можно судить и о массе центрального тела.
Близость галактики позволила астрономам оценить этим методом параметры пары в её центре. Более крупная чёрная дыра в одном из ядер имеет массу 154 миллиона масс Солнца, а её спутник — 6,3 миллиона M☉. Две сверхмассивные чёрные дыры находятся на расстоянии 1600 световых лет (500 парсек) друг от друга. Это в два раза меньше расстояния между предыдущими рекордсменами; также это — первая пара, в которой расстояние между объектами менее одного килопарсека. Правда, речь идёт о проекционном расстоянии, то есть удалённости на небесной сфере (поперёк луча зрения) — реальное расстояние между объектами может быть больше. Напомним, что ближайшая к Солнечной системе чёрная дыра звёздной массы находится на сопоставимом расстоянии 1000 световых лет (об её недавнем обнаружении см. отдельную статью). Для сверхмассивных чёрных дыр массой в миллионы масс Солнца, занимающих центральные части галактик такие расстояния — это «очень близко».
Меньшая чёрная дыра имеет всего три процента массы «основного» ядра, что также свидетельствует о её происхождении из галактики, когда-то поглощённой NGC 7727. Астрономы предполагают, что пострадавшей в этом катаклизме была богатая газом дисковая галактика в пять раз меньше, чем NGC 7727. Дополнительные аргументы в пользу модели попадания второго ядра в NGC 7727 из-за слияния галактик — очень синий его цвет (то есть преобладание горячих звёзд) и молодое звёздное население, которое не соответствует характерному возрасту звёзд в NGC 7727. Возраст звёзд «основной» галактики — около 13 миллиардов лет, и звёздное население в ней наоборот «красное» (более холодные звёзды). Орбита второго ядра указывает на то, что слияние состоялось около миллиарда лет назад.
Пара чёрных дыр в галактике в будущем должна слиться вместе. Небольшое расстояние между чёрными дырами в NGC 7727 и их скорость позволяют предположить, что их слияние произойдёт через 250 миллионов лет. Такое событие поддаётся регистрации по всплескам гравитационных волн. Эти всплески являются главной целью гравитационной астрономии — нового направления, которое возникло после начала регистрации гравитационных волн. Рост сверхмассивных чёрных дыр при галактических слияниях играет важную роль в иерархических сценариях эволюции галактик (ступенчатое слияние менее крупных объектов с образованием более крупных, в частности, «укрупнение» чёрных дыр вплоть до образования сверхмассивной дыры в центре галактики). Так, недавно сеть гравитационных детекторов LIGO/Virgo впервые зафиксировала такой всплеск, который указывает на рождение чёрной дыры массой около 150 солнечных масс при слиянии двух меньших — об этом есть более подробная статья. Будущий космический детектор гравитационных волн LISA (Laser Interferometer Space Antenna) будет специально ловить отголоски таких событий. NGC 7727, как галактика с ближайшей двойной сверхмассивной чёрной дырой — это удобная лаборатория, в которой можно провести независимые динамические измерения массы по движению окружающего чёрную дыру звёздного вещества.
NGC 7727 — хороший объект для исследования пары сверхмассивных чёрных дыр и из-за того, что она «недавно» пережила слияние с другой галактикой, на что указывает её неправильная форма. До сих пор известно было только пять случаев такого поглощения, в которых сохранилось ядро второй галактики с чёрной дырой. Во всех этих случаях то, что осталось от ядер, находится далеко в гало «основной» галактики, а сами галактики растворились в ней несколько миллиардов лет назад. Ожидается, что количество подобных открытых объектов увеличится с вводом в действие крупных телескопов нового поколения, например, ELT (Extremely Large Telescope).
