Bruke arkivteleskopdata Tvillingen nord, målte astronomer det tyngste paret supermassive sorte hull som noen gang er funnet. Sammenslåingen av to supermassive sorte hull er et fenomen som lenge har vært spådd, men aldri observert. Dette massive paret gir ledetråder om hvorfor en slik hendelse virker usannsynlig i universet.
Nesten hver eneste massive galakse inneholder et supermassivt sort hull i sentrum. Når to galakser smelter sammen, kan deres sorte hull danne et binært par, det vil si være i en bundet bane med hverandre. Det antas at disse binære parene er bestemt til å smelte sammen over tid, men dette har aldri blitt observert. Spørsmålet om en slik hendelse er mulig har vært et debatttema blant astronomer i flere tiår.
Astronomer brukte data fra Gemini North-teleskopet på Hawaii, som er den ene halvdelen av Gemini International Observatory som drives av National Institute of Physics' NOIRLab, for å analysere det supermassive binære sorte hullet som ligger i den elliptiske galaksen B2 0402+379. Det er det eneste supermassive binære sorte hullet som har blitt sett i nok detaljer til å se begge objektene separat, og det holder rekorden for den korteste avstanden som er målt direkte, bare 24 lysår. Mens en så nær avstand varsler en kraftig fusjon, avslørte videre etterforskning at paret har sittet fast på denne avstanden i over tre milliarder år, noe som reiser spørsmålet: Hva er årsaken til forsinkelsen?
For bedre å forstå dynamikken til dette systemet og dets stoppet sammenslåing, henvendte teamet seg til arkivdata fra Gemini North Multi-Object Spectrograph (GMOS), som tillot dem å bestemme hastigheten til stjerner i nærheten av sorte hull.
"Den bemerkelsesverdige følsomheten til GMOS tillot oss å kartlegge økningen i hastigheten til stjerner når de nærmer seg sentrum av galaksen," sa Roger Romani, professor i fysikk ved Stanford University og medforfatter av artikkelen. "Takket være dette klarte vi å trekke en konklusjon om den totale massen av sorte hull som er der."
Teamet anslår at massen til det binære sorte hullet er 28 milliarder ganger Solens, noe som gjør paret til det tyngste binære sorte hullet som noen gang er målt. Denne målingen gir ikke bare verdifull kontekst for dannelsen av det binære systemet og historien til vertsgalaksen, men bekrefter også den langvarige teorien om at massen til et supermassivt binært svart hull spiller en nøkkelrolle i å holde tilbake en potensiell fusjon.
"Dataarkivet Gemini International Observatory inneholder en gullgruve av uutnyttede vitenskapelige funn," sa Martin Still, NSF-programdirektør for Gemini International Observatory. "Å måle massen av dette supermassive binære sorte hullet er et slående eksempel på den potensielle effekten av ny forskning som undersøker dette rike arkivet."
Å forstå hvordan denne binære dannelsen kan bidra til å forutsi om og når den vil slå seg sammen – flere ledetråder indikerer at paret ble dannet fra sammenslåingen av flere galakser. For det første er B2 0402+379 en "fossilklynge", det vil si resultatet av sammenslåingen av stjerner og gass fra en hel galaksehop til én massiv galakse. I tillegg antyder tilstedeværelsen av to supermassive sorte hull, kombinert med deres store kombinerte masse, at de ble dannet fra sammenslåingen av flere mindre sorte hull fra forskjellige galakser.
Etter en galaktisk sammenslåing kolliderer ikke supermassive sorte hull front mot front. I stedet begynner de å fly forbi hverandre og setter seg i en begrenset bane. For hvert pass overføres energi fra de sorte hullene til stjernene rundt. Ved å miste energi, trekkes paret nærmere og nærmere til de er lysår fra hverandre, hvor gravitasjonsstrålingen tar over og de smelter sammen. Denne prosessen har blitt direkte observert i par av stjerne-masse sorte hull - den første forekomsten ble registrert i 2015 takket være deteksjon av gravitasjonsbølger - men har aldri blitt observert i binære supermassive systemer.
Med ny kunnskap om systemets ekstremt store masse, konkluderte teamet med at det ville kreve et ekstremt stort antall stjerner for å bremse det binære systemets bane nok til å bringe dem nærmere hverandre. I prosessen ser det ut til at sorte hull har kastet ut nesten all materie rundt dem, og etterlot den galaktiske kjernen blottet for stjerner og gass. Uten mer materiale for å bremse parets bane ytterligere, stoppet sammenslåingen deres i sluttfasen.
"Galakser med lettere sorte hull-par ser vanligvis ut til å ha nok stjerner og masse til å konvergere raskt," sier Romani. "Fordi dette paret er så tungt, trenger det mange stjerner og gass for å få jobben gjort. Men binæren renset den sentrale galaksen for slik materie, og etterlot den frossen og tilgjengelig for vår studie."
Om de vil overvinne stagnasjon og til slutt slå seg sammen om millioner av år, eller forbli i orbital limbo for alltid, gjenstår å se. Hvis de smelter sammen, vil de resulterende gravitasjonsbølgene være 100 millioner ganger kraftigere enn de som produseres ved å slå sammen sorte hull med stjernemasse.
Det er mulig at paret kan overvinne denne endelige avstanden gjennom en annen galaktisk fusjon, som ville puste inn ytterligere materiale i systemet, eller kanskje et tredje sort hull, for å bremse parets bane nok til at det kan smelte sammen. Men gitt B2 0402+379s status som en fossil klynge, er en ny galaksesammenslåing usannsynlig.
"Vi ser frem til videre studier av kjernen til B2 0402+379, hvor vi vil se hvor mye gass den inneholder," sa Tirth Surti, en Stanford-student og hovedforfatter av avisen. "Dette vil gi oss mer innsikt i om supermassive sorte hull kan slå seg sammen over tid, eller om de vil forbli som et binært system."
Les også: