Brug af arkivteleskopdata Tvilling nord, målte astronomer det tungeste par supermassive sorte huller, der nogensinde er fundet. Sammensmeltningen af to supermassive sorte huller er et fænomen, der længe har været forudsagt, men aldrig observeret. Dette massive par giver fingerpeg om, hvorfor en sådan begivenhed virker usandsynlig i universet.
Næsten alle massive galakser indeholder et supermassivt sort hul i centrum. Når to galakser smelter sammen, kan deres sorte huller danne et binært par, det vil sige være i en bundet bane med hinanden. Det er en hypotese, at disse binære par er bestemt til at smelte sammen over tid, men dette er aldrig blevet observeret. Spørgsmålet om, hvorvidt en sådan begivenhed er mulig, har været et debatemne blandt astronomer i årtier.
Astronomer brugte data fra Gemini North-teleskopet på Hawaii, som er den ene halvdel af Gemini International Observatory, der drives af National Institute of Physics' NOIRLab, til at analysere det supermassive binære sorte hul placeret i den elliptiske galakse B2 0402+379. Det er det eneste supermassive binære sorte hul, der er blevet set i detaljer nok til at se begge objekter hver for sig, og det holder rekorden for den korteste afstand, der er blevet målt direkte, blot 24 lysår. Selvom en så tæt afstand lover godt for en stærk fusion, afslørede yderligere undersøgelser, at parret har siddet fast på denne afstand i over tre milliarder år, hvilket rejser spørgsmålet: Hvad er årsagen til forsinkelsen?
For bedre at forstå dynamikken i dette system og dets stoppede fusion henvendte holdet sig til arkivdata fra Gemini North Multi-Object Spectrograph (GMOS), som gjorde det muligt for dem at bestemme hastigheden af stjerner i nærheden af sorte huller.
"Den bemærkelsesværdige følsomhed af GMOS gjorde det muligt for os at kortlægge stigningen i stjernernes hastighed, når de nærmer sig galaksens centrum," sagde Roger Romani, professor i fysik ved Stanford University og medforfatter af papiret. "Takket være dette var vi i stand til at drage en konklusion om den samlede masse af sorte huller, der er der."
Holdet vurderer, at massen af det binære sorte hul er 28 milliarder gange Solens, hvilket gør parret til det tungeste binære sorte hul, der nogensinde er målt. Denne måling giver ikke kun værdifuld kontekst for dannelsen af det binære system og historien om dets værtsgalakse, men bekræfter også den langvarige teori om, at massen af et supermassivt binært sort hul spiller en nøglerolle i at holde en potentiel fusion tilbage.
"Dataarkivet Gemini International Observatory indeholder en guldmine af uudnyttede videnskabelige opdagelser," sagde Martin Still, NSF-programdirektør for Gemini International Observatory. "At måle massen af dette supermassive binære sorte hul er et slående eksempel på den potentielle virkning af ny forskning, der undersøger dette rige arkiv."
Forståelse af, hvordan dette binære dannede kan hjælpe med at forudsige, om og hvornår det vil smelte sammen - adskillige spor indikerer, at parret er dannet ud fra fusionen af flere galakser. For det første er B2 0402+379 en "fossilhob", det vil sige resultatet af sammensmeltningen af stjerner og gas fra en hel galaksehob til en massiv galakse. Derudover tyder tilstedeværelsen af to supermassive sorte huller, kombineret med deres store kombinerede masse, på, at de er dannet ved sammensmeltningen af flere mindre sorte huller fra forskellige galakser.
Efter en galaktisk fusion støder supermassive sorte huller ikke frontalt sammen. I stedet begynder de at flyve forbi hinanden og sætter sig i et begrænset kredsløb. Ved hver passage overføres energi fra de sorte huller til de omgivende stjerner. Ved at miste energi trækkes parret tættere og tættere på, indtil de er lysår fra hinanden, hvor gravitationsstrålingen tager over, og de smelter sammen. Denne proces er blevet observeret direkte i par af sorte huller med stjernemasse - det første tilfælde blev registreret i 2015 takket være detektionen af gravitationsbølger - men er aldrig blevet observeret i binære supermassive systemer.
Med ny viden om systemets ekstremt store masse konkluderede holdet, at det ville tage et ekstremt stort antal stjerner at bremse det binære systems kredsløb nok til at bringe dem tættere på hinanden. I processen ser sorte huller ud til at have udstødt næsten alt stof omkring dem, hvilket efterlader den galaktiske kerne blottet for stjerner og gas. Uden mere materiale til yderligere at bremse parrets kredsløb gik deres fusion i stå i dens sidste faser.
"Galakser med lettere sorte hul-par ser normalt ud til at have stjerner og masse nok til at komme hurtigt tæt på," siger Romani. "Fordi dette par er så tungt, har det brug for en masse stjerner og gas for at få arbejdet gjort. Men binæren ryddede den centrale galakse for sådant stof og efterlod den frosset og tilgængelig for vores undersøgelse."
Hvorvidt de vil overvinde stagnation og til sidst smelte sammen om millioner af år, eller forblive i orbital limbo for evigt, skal vise sig. Hvis de smelter sammen, vil de resulterende gravitationsbølger være 100 millioner gange kraftigere end dem, der produceres ved at fusionere sorte huller med stjernemasse.
Det er muligt, at parret kunne overvinde denne sidste afstand gennem en anden galaktisk fusion, som ville puste yderligere materiale ind i systemet, eller måske et tredje sort hul, for at bremse parrets kredsløb nok til, at det smelter sammen. Men givet B2 0402+379's status som en fossil klynge, er en ny galaksefusion usandsynlig.
"Vi ser frem til yderligere undersøgelser af kernen af B2 0402+379, hvor vi vil se, hvor meget gas den indeholder," sagde Tirth Surti, en Stanford-studerende og hovedforfatter af papiret. "Dette vil give os mere indsigt i, om supermassive sorte huller kan smelte sammen over tid, eller om de vil forblive som et binært system."
Læs også: