Международная группа астрофизиков предложила новый способ обнаружения тесных пар сверхмассивных чёрных дыр — по повторяющимся вспышкам от звёзд. Работа показывает, что такие системы можно искать с помощью обычных телескопов, без ожидания будущих гравитационно-волновых миссий.

Сверхмассивные чёрные дыры находятся в центрах большинства галактик. Когда галактики сталкиваются и сливаются, их центральные чёрные дыры со временем образуют связанную пару. Такие двойные системы играют важную роль в эволюции галактик и считаются одними из самых мощных источников гравитационных волн во Вселенной. Однако до сих пор надёжно наблюдались лишь широко разделённые пары, а тесные двойные системы оставались скрытыми.

Авторы работы предлагают искать их с помощью гравитационного линзирования — эффекта искривления света массивными объектами. «Сверхмассивные чёрные дыры действуют как естественные телескопы», — объясняет Мигель Сумалакарреги (Miguel Zumalacarregui) из Института Макса Планка. Их огромная масса позволяет фокусировать свет звёзд, расположенных за ними, делая изображения необычайно яркими.

Если чёрная дыра одиночная, то сильное усиление происходит лишь при почти идеальном совпадении звезды с линией зрения. В двойной системе ситуация меняется. Две чёрные дыры создают сложную структуру усиления света — так называемую каустическую кривую в форме ромба, вдоль которой яркость звезды может резко возрастать.

«Вероятность сильного усиления в двойной системе намного выше, чем у одиночной чёрной дыры», — отмечает Бенце Кочиш (Bence Kocsis) из Оксфордского университета. Кроме того, такие системы не являются статичными: по мере обращения друг вокруг друга они теряют энергию, излучая гравитационные волны, и постепенно сближаются.

По мере движения пары каустическая структура вращается и меняет форму, «прочёсывая» пространство за чёрными дырами. «Если в этой области оказывается яркая звезда, то она даёт чрезвычайно мощную вспышку каждый раз, когда каустика проходит по её положению», — объясняет Ханси Ванг (Hanxi Wang), ведущий автор исследования. В результате возникают повторяющиеся всплески света — характерный признак двойной чёрной дыры.

Учёные показали, что интервалы между вспышками и их яркость содержат информацию о массе чёрных дыр и стадии их сближения. По мере потери энергии структура линзирования постепенно меняется, оставляя «отпечаток» в частоте и силе сигналов. Хотя сами вспышки могут повторяться с интервалами в несколько лет, заметные изменения их периода происходят гораздо медленнее.

Скоро такие сигналы станет легче обнаруживать благодаря новым обзорам неба, включая обсерваторию имени Веры Рубин и космический телескоп Nancy Grace Roman. По словам авторов, они ожидают находить сближающиеся пары чёрных дыр за годы до их регистрации будущими гравитационно-волновыми детекторами, а работа откроет путь к полноценным «многоканальным» исследованиям чёрных дыр.