Z uporabo arhivskih podatkov teleskopa Gemini Sever, so astronomi izmerili najtežji par supermasivnih črnih lukenj, kar so jih kdaj našli. Zlitje dveh supermasivnih črnih lukenj je pojav, ki so ga dolgo napovedovali, a nikoli opazili. Ta ogromen par ponuja namige, zakaj se tak dogodek v vesolju zdi malo verjeten.
Skoraj vsaka masivna galaksija vsebuje v svojem središču supermasivno črno luknjo. Ko se dve galaksiji združita, lahko njuni črni luknji tvorita binarni par, to je, da sta v vezani orbiti druga z drugo. Domneva se, da se ti binarni pari sčasoma združijo, vendar tega nikoli niso opazili. Vprašanje, ali je takšen dogodek mogoč, je že desetletja predmet razprav med astronomi.
Astronomi so uporabili podatke teleskopa Gemini North na Havajih, ki je polovica mednarodnega observatorija Gemini, ki ga upravlja NOIRLab Nacionalnega inštituta za fiziko, za analizo supermasivne binarne črne luknje v eliptični galaksiji B2 0402+379. Je edina supermasivna binarna črna luknja, ki je bila dovolj podrobno videna, da lahko oba objekta vidimo ločeno, in ima rekord za najkrajšo razdaljo, ki je bila neposredno izmerjena, le 24 svetlobnih let. Medtem ko je tako bližnja razdalja dobra napoved za močno združitev, je nadaljnja preiskava pokazala, da je bil par na tej razdalji več kot tri milijarde let, kar postavlja vprašanje: Kaj je razlog za zamudo?
Da bi bolje razumeli dinamiko tega sistema in njegovo zastalo združitev, se je ekipa obrnila na arhivske podatke iz Gemini North Multi-Object Spectrograph (GMOS), ki jim je omogočil določitev hitrosti zvezd v bližini črnih lukenj.
"Izjemna občutljivost GMOS nam je omogočila preslikavo povečanja hitrosti zvezd, ko se približujejo središču galaksije," je povedal Roger Romani, profesor fizike na univerzi Stanford in soavtor članka. "Zahvaljujoč temu smo lahko sklepali o skupni masi črnih lukenj, ki so tam."
Skupina ocenjuje, da je masa binarne črne luknje 28-milijardkrat večja od mase Sonca, zaradi česar je par najtežja binarna črna luknja, ki je bila kdaj izmerjena. Ta meritev ne zagotavlja samo dragocenega konteksta za nastanek binarnega sistema in zgodovine njegove gostiteljske galaksije, ampak tudi potrjuje dolgotrajno teorijo, da ima masa supermasivne binarne črne luknje ključno vlogo pri zadrževanju morebitne združitve.
"Arhiv podatkov mednarodnega observatorija Gemini vsebuje zlato jamo neizkoriščenih znanstvenih odkritij," je dejal Martin Still, programski direktor NSF za mednarodni observatorij Gemini. "Merjenje mase te supermasivne binarne črne luknje je osupljiv primer možnega vpliva novih raziskav, ki preučujejo ta bogati arhiv."
Razumevanje, kako je nastala ta binarna datoteka, lahko pomaga napovedati, ali in kdaj se bo združila – več namigov kaže, da je par nastal z združitvijo več galaksij. Prvič, B2 0402+379 je "fosilna kopica", to je rezultat združitve zvezd in plina celotne jate galaksij v eno masivno galaksijo. Poleg tega prisotnost dveh supermasivnih črnih lukenj v kombinaciji z njuno veliko skupno maso nakazuje, da sta nastali z združitvijo več manjših črnih lukenj iz različnih galaksij.
Po galaktični združitvi supermasivne črne luknje ne trčijo čelno. Namesto tega začnejo leteti drug mimo drugega in se umestijo v omejeno orbito. Z vsakim prehodom se energija iz črnih lukenj prenese na okoliške zvezde. Zaradi izgube energije se par približuje vse bližje, dokler nista svetlobna leta narazen, kjer prevzame gravitacijsko sevanje in se združita. Ta proces so neposredno opazili v parih črnih lukenj z zvezdno maso – prvi primer so zabeležili leta 2015 po zaslugi zaznave gravitacijskih valov – vendar ga nikoli niso opazili v binarnih supermasivnih sistemih.
Z novim znanjem o izjemno veliki masi sistema je ekipa ugotovila, da bi bilo potrebno izjemno veliko število zvezd, da bi dovolj upočasnile orbito binarnega sistema, da bi ju zbližale. Zdi se, da so v tem procesu črne luknje izvrgle skoraj vso snov okoli sebe, zaradi česar je galaktično jedro ostalo brez zvezd in plina. Ker ni bilo več materiala, ki bi dodatno upočasnil orbito para, je njuna združitev zastala v zadnji fazi.
»Zdi se, da imajo galaksije z lažjimi pari črnih lukenj običajno dovolj zvezd in mase, da se lahko hitro približajo,« pravi Romani. »Ker je ta par tako težak, potrebuje veliko zvezdic in plina, da opravi delo. Toda binarni sistem je osrednjo galaksijo očistil takšne snovi in jo pustil zamrznjeno in na voljo za našo študijo."
Ali bodo premagali stagnacijo in se čez milijone let na koncu združili ali pa za vedno ostali v orbitalnem limbu, bomo še videli. Če se združijo, bodo nastali gravitacijski valovi 100-milijonkrat močnejši od tistih, ki nastanejo zaradi združitve črnih lukenj zvezdne mase.
Možno je, da bi par lahko premagal to končno razdaljo z drugo galaktično združitvijo, ki bi vdihnila dodaten material v sistem ali morda tretjo črno luknjo, da bi dovolj upočasnila orbito para, da bi se združila. Glede na to, da je B2 0402+379 fosilna jata, pa nova združitev galaksij ni verjetna.
"Veselimo se nadaljnjih študij jedra B2 0402+379, kjer bomo videli, koliko plina vsebuje," je dejal Tirth Surti, podiplomski študent Stanforda in glavni avtor prispevka. "To nam bo dalo boljši vpogled v to, ali se lahko supermasivne črne luknje sčasoma združijo ali pa bodo ostale kot binarni sistem."
Preberite tudi: