Al tientallen jaren weten astronomen dat Supermassive Black Holes (SMBHs) zich in het centrum van de meeste massieve sterrenstelsels bevinden. Deze zwarte gaten, die variëren van honderdduizenden tot miljarden zonsmassa's, oefenen een krachtige invloed uit op de omringende materie en zouden de oorzaak zijn van de actieve galactische kernen (AGN). Zolang astronomen hiervan op de hoogte zijn, hebben ze geprobeerd te begrijpen hoe SMBH's ontstaan en evolueren.
In twee recent gepubliceerde onderzoeken rapporteren twee internationale teams van onderzoekers over de ontdekking van vijf nieuw ontdekte paren van zwarte gaten in de centra van verre melkwegstelsels. Deze ontdekking zou astronomen kunnen helpen om nieuw licht te werpen op hoe SMBH's in de loop van de tijd ontstaan en groeien, om nog maar te zwijgen over hoe fusies van zwarte gaten de sterkste zwaartekrachtgolven in het heelal produceren.
De eerste vier kandidaten voor dubbele zwarte gaten werden gerapporteerd in een studie getiteld "Begraven AGN's in geavanceerde fusies: midden-infraroodkleurselectie als dubbele AGN-zoeker", die werd geleid door Shobita Satyapal, een professor in astrofysica aan de George Mason University. Deze studie werd aanvaard voor publicatie in The Astrophysical Journal en verscheen onlangs online.
De tweede studie, die de vijfde kandidaat met een dubbel zwart gat rapporteerde, werd geleid door Sarah Ellison - een astrofysica-professor aan de Universiteit van Victoria. Het is onlangs gepubliceerd in de Maandelijkse aankondigingen van de Royal Astronomical Society onder de titel "Ontdekking van een dubbele actieve galactische kern met ~ 8 kpc scheiding". De ontdekking van deze vijf paren van zwarte gaten was zeer toevallig, aangezien paren een zeer zeldzame vondst zijn.
Zoals Shobita Satyapal uitlegde in een persverklaring van Chandra:
“Astronomen vinden overal in het universum enkele superzware zwarte gaten. Maar ook al hebben we voorspeld dat ze snel groeien wanneer ze met elkaar in contact komen, het is moeilijk om dubbele superzware zwarte gaten te vinden.“
De paren van zwarte gaten zijn ontdekt door gegevens te combineren van een aantal verschillende instrumenten op de grond en in de ruimte. Dit omvatte optische gegevens van de Sloan Digital Sky Survey (SDSS) en de op de grond gebaseerde Large Binocular Telescope (LBT) in Arizona met bijna-infraroodgegevens van de Wide-Field Infrared Survey Explorer (WISE) en röntgengegevens van NASA's Chandra X-ray observatorium.
Omwille van hun studies probeerden Satyapal, Ellison en hun respectievelijke teams dubbele AGN's te detecteren, waarvan wordt aangenomen dat ze een gevolg zijn van galactische fusies. Ze begonnen met het raadplegen van optische gegevens van de SDSS om sterrenstelsels te identificeren die leken te fuseren. Gegevens van de all-sky WISE-enquête werden vervolgens gebruikt om die sterrenstelsels te identificeren die de krachtigste AGN's vertoonden.
Vervolgens raadpleegden ze gegevens van de Chandra's Advanced CCD Imaging Spectrometer (ACIS) en de LBT om zeven sterrenstelsels te identificeren die zich in een vergevorderd stadium van fusie leken te bevinden. Het onderzoek onder leiding van Ellison was ook gebaseerd op optische gegevens van de Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory (MaNGA) -onderzoek om een van de nieuwe paren van zwarte gaten te lokaliseren.
Uit de gecombineerde gegevens bleek dat vijf van de zeven samenvoegende sterrenstelsels mogelijke dubbele AGN's bevatten, die minder dan 10 kiloparsecs van elkaar verwijderd waren (meer dan 30.000 lichtjaar). Dit werd bewezen door de infraroodgegevens van WISE, die consistent waren met wat wordt verondersteld door snelgroeiende superzware zwarte gaten.
Bovendien toonden de Chandra-gegevens nauw gescheiden paren van röntgenbronnen, wat ook consistent is met zwarte gaten waar langzaam materie op wordt geaccumuleerd. Deze infrarood- en röntgengegevens suggereerden ook dat de superzware zwarte gaten begraven liggen in grote hoeveelheden stof en gas. Zoals Ellison aangaf, waren deze bevindingen het resultaat van nauwgezet werk dat bestond uit het sorteren door meerdere golflengten van gegevens:
“Ons werk laat zien dat het combineren van de infraroodselectie met röntgenopvolging een zeer effectieve manier is om deze zwarte gatenparen te vinden. Röntgenstralen en infraroodstraling kunnen de verduisterende wolken van gas en stof die deze zwarte gatenparen omringen penetreren, en Chandra's scherpe visie is nodig om ze te scheiden ".
Vóór deze studie waren minder dan tien paar groeiende zwarte gaten bevestigd op basis van röntgenonderzoeken, en deze waren meestal toevallig. Dit nieuwste werk, dat vijf paren van zwarte gaten ontdekte met gecombineerde gegevens, was daarom zowel gelukkig als belangrijk. Afgezien van het versterken van de hypothese dat superzware zwarte gaten ontstaan door het samengaan van kleinere zwarte gaten, hebben deze studies ook ernstige implicaties voor gravitatiegolfonderzoek.
"Het is belangrijk om te begrijpen hoe vaak superzware paren van zwarte gaten zijn, om te helpen bij het voorspellen van de signalen voor gravitatiegolfobservatoria", zei Satyapa. “Met experimenten die al zijn uitgevoerd en toekomstige die online komen, is dit een opwindende tijd om onderzoek te doen naar het samenvoegen van zwarte gaten. We bevinden ons in de beginfase van een nieuw tijdperk bij het verkennen van het universum. ”
Sinds 2016 zijn er in totaal vier gevallen van zwaartekrachtgolven gedetecteerd door instrumenten zoals de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) en de VIRGO Observatory. Deze detecties waren echter het resultaat van fusies van zwarte gaten waarbij de zwarte gaten allemaal kleiner en minder zwaar waren - tussen acht en 36 zonsmassa's.
Superzware zwarte gaten daarentegen zijn veel massiever en zullen waarschijnlijk een veel grotere gravitatiegolfsignatuur produceren naarmate ze dichter bij elkaar blijven komen. En over een paar honderd miljoen jaar, wanneer deze paren uiteindelijk samensmelten, zal de resulterende energie die wordt geproduceerd door massa die wordt omgezet in zwaartekrachtgolven, ongelooflijk zijn.
Op dit moment zijn detectoren zoals LIGO en Virgo niet in staat om de zwaartekrachtgolven te detecteren die worden veroorzaakt door superzware Black Hole-paren. Dit werk wordt gedaan door arrays zoals de North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav), die vertrouwt op uiterst nauwkeurige millisecondepulsars om de invloed van gravitatiegolven op ruimtetijd te meten.
De voorgestelde Laser Interferometer Space Antenna (LISA), die de eerste speciale op ruimte gebaseerde gravitatiegolfdetector zal zijn, zal naar verwachting ook helpen bij het zoeken. Ondertussen heeft gravitatiegolfonderzoek al enorm geprofiteerd van samenwerkingsinspanningen zoals die tussen Advanced LIGO en Advanced Virgo.
In de toekomst verwachten wetenschappers ook dat ze de interieurs van supernova's kunnen bestuderen door middel van gravitatiegolfonderzoek. Dit zal waarschijnlijk veel onthullen over de mechanismen achter de vorming van zwart gaten. Tussen al deze voortdurende inspanningen en toekomstige ontwikkelingen kunnen we verwachten dat we veel meer van het heelal en de krachtigste krachten die erin werken, zullen 'horen'.
Bekijk zeker deze animatie die laat zien hoe de uiteindelijke samensmelting van twee van deze zwarte gatenparen eruit zal zien, met dank aan de Chandra X-ray Observatory:
