Редкая пара квазаров в ранней Вселенной: ключ к загадке гравитационных волн

Квазары — одни из самых ярких объектов во Вселенной. Они возникают, когда сверхмассивная черная дыра в центре галактики активно поглощает вещество: разогретые газ и пыль начинают светиться ярче самой галактики. Если сталкиваются две галактики, активными могут стать обе черные дыры — тогда появляется пара близких квазаров. Такие системы помогают астрономам понять, как растут черные дыры и галактики, однако найти их на больших расстояниях крайне сложно.

Сомнение, которое удалось развеять

Одним из кандидатов была система J2037-4537, обнаруженная в обзоре Dark Energy Survey. Она выглядела как два очень близких ярких источника, расположенных на расстоянии около 24 тысяч световых лет друг от друга. Оба источника имели признаки квазаров с одинаковым красным смещением (z = 5,7), но оставалась вероятность, что это один и тот же квазар, разделенный эффектом гравитационного линзирования — когда массивный объект между источником и Землей искривляет свет и создает несколько изображений.

Чтобы проверить эту гипотезу, ученые проанализировали данные с телескопа ALMA. Выяснилось, что между двумя объектами присутствует характерный след настоящего слияния галактик: в одной из них оказались искаженные структуры, типичные для гравитационного взаимодействия. Если бы все объяснялось линзированием, исследователи увидели бы симметричные дуги, а не следы столкновения. Так система J2037-4537 была окончательно признана настоящей парой квазаров в процессе слияния.

Массивные галактики и бурное звездообразование

Обе галактики оказались очень массивными — более 10 миллиардов масс Солнца каждая — и активно формировали звезды со скоростью свыше 500 солнечных масс в год. Для сравнения, Млечный Путь производит всего одну-две солнечные массы в год. Такая бурная активность типична для ранней Вселенной, когда галактики сталкивались и сливались гораздо чаще.

Авторы работы, опубликованной на сервере препринтов Корнеллского университета, заключили, что близкие пары квазаров в ранней Вселенной встречались куда чаще, чем сегодня: не менее 1,2 процента против примерно 0,1 процента в более поздние эпохи. Это важно, поскольку со временем такие пары превращаются в двойные системы сверхмассивных черных дыр, которые при слиянии создают мощные гравитационные волны.

Объяснение фона гравитационных волн

Дальнейшее изучение этой пары квазаров может помочь объяснить сильный фон гравитационных волн, который сегодня фиксируют такие международные проекты, как Pulsar Timing Array. Если слияния в ранней Вселенной происходили чаще, чем считалось, это могло создать тот самый избыток гравитационных волн, который наблюдают ученые. Открытие не только подтверждает существование редкой системы, но и дает ключ к пониманию процессов, формировавших космос в первые миллиарды лет после Большого взрыва.