Astronomen hebben drie superzware zwarte gaten (SMBH's) gezien in het midden van drie botsende sterrenstelsels op een miljard lichtjaar van de aarde. Dit is een bewijs dat alle drie ook actieve galactische kernen (AGN,) zijn die materiaal opslokken en helder oplaaien.
Deze ontdekking kan enig licht werpen op het 'laatste parsec-probleem', een al lang bestaand probleem in astrofysica en fusies van zwarte gaten.
Astronomen vonden de drie SMBH's in gegevens van meerdere telescopen, waaronder de Sloan Digital Sky Survey (SDSS), de Chandra X-ray Observatory en de Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE.) De drie zwarte gaten zijn verpakt in een bijna onvoorstelbaar epische gebeurtenis; een fusie van drie sterrenstelsels. Deze triplet-fusies kunnen een cruciale rol spelen in hoe de grootste zwarte gaten in de loop van de tijd groeien.
"Dit is het sterkste bewijs dat tot nu toe is gevonden voor zo'n drievoudig systeem voor het actief voeden van superzware zwarte gaten."
Ryan Pfeifle, George Mason University, hoofdauteur.
De astronomen die het ontdekten, verwachtten niet dat ze drie zwarte gaten zouden vinden in het centrum van een fusie van drie sterrenstelsels.
"We waren op dat moment alleen op zoek naar paren zwarte gaten en toch kwamen we door onze selectietechniek dit geweldige systeem tegen", zegt Ryan Pfeifle van de George Mason University in Fairfax, Virginia, de eerste auteur van een nieuw artikel in The Astrophysical Journal beschrijft deze resultaten. "Dit is het sterkste bewijs dat tot nu toe is gevonden voor zo'n drievoudig systeem voor het actief voeden van superzware zwarte gaten."
Triple black hole-systemen zijn moeilijk te herkennen omdat er zoveel in hun buurt gebeurt. Ze zijn gehuld in gas en stof, waardoor het een uitdaging is om in te kijken. In deze studie waren er verschillende telescopen nodig die in verschillende delen van het elektromagnetische spectrum werkten om de drie gaten te ontdekken. Het kostte ook het werk van enkele burgerwetenschappers.
Ze zijn niet alleen moeilijk te herkennen, maar ook zeldzaam. "Dubbele en drievoudige zwarte gaten zijn buitengewoon zeldzaam," zei co-auteur Shobita Satyapal, ook van George Mason, "maar dergelijke systemen zijn eigenlijk een natuurlijk gevolg van fusies van sterrenstelsels, waarvan we denken dat ze de manier zijn waarop sterrenstelsels groeien en evolueren."
De SDSS was de eerste die deze drievoudige fusie in zichtbaar licht zag, maar het was pas via Galaxy Zoo, een burgerwetenschappelijk project, dat het werd geïdentificeerd als een systeem van botsende sterrenstelsels. Toen zag WISE dat het systeem in het infrarood gloeide, wat aangeeft dat het zich in een fase van samenvoeging van sterrenstelsels bevond, terwijl verwacht werd dat meer dan een van de zwarte gaten zich zou voeden.
De Sloan- en WISE-gegevens waren echter slechts prikkelende aanwijzingen en astronomen wendden zich tot het Chandra-observatorium en de grote binoculaire telescoop (LBT) voor meer bevestiging. Chandra-waarnemingen toonden aan dat er heldere röntgenbronnen waren in het centrum van elk sterrenstelsel. Dat is precies waar wetenschappers SMBH's verwachten te vinden.
Meer bewijsmateriaal waaruit bleek dat er SMBH's waren, kwam van Chandra en NASA's Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) -satelliet. Ze vonden sporen van grote hoeveelheden gas en stof bij een van de zwarte gaten. Dat wordt verwacht wanneer zwarte gaten samensmelten. Andere optische lichtgegevens van de SDSS en de LBT leverden spectraal bewijs op dat kenmerkend is voor de drie SMBH-voeding.
"Optische spectra bevatten een schat aan informatie over een sterrenstelsel", zegt co-auteur Christina Manzano-King van de University of California, Riverside. 'Ze worden vaak gebruikt om actief opnemende superzware zwarte gaten te identificeren en kunnen de impact weerspiegelen die ze hebben op de sterrenstelsels die ze bewonen.'
Met dit werk heeft het team van astronomen een manier ontwikkeld om meer van deze triple black hole-systemen te vinden. “Door het gebruik van deze grote observatoria hebben we een nieuwe manier gevonden om driedubbele superzware zwarte gaten te identificeren. Elke telescoop geeft ons een andere aanwijzing over wat er in deze systemen gebeurt '', aldus Pfeifle. "We hopen ons werk uit te breiden om meer triples te vinden met dezelfde techniek."
Mogelijk hebben ze ook enig licht geworpen op het laatste parsec-probleem.
Het laatste Parsec-probleem
Het laatste parsec-probleem staat centraal in ons begrip van binaire fusies van zwarte gaten. Het is een theoretisch probleem dat zegt dat wanneer twee zwarte gaten elkaar naderen, hun buitensporige orbitale energie ervoor zorgt dat ze niet meer samensmelten. Ze kunnen binnen een paar lichtjaren aankomen, dan stopt het fusieproces.
Wanneer twee zwarte gaten elkaar aanvankelijk naderen, voeren hun hyperbolische trajecten ze langs elkaar heen. Na verloop van tijd, terwijl de twee gaten interageren met sterren in hun omgeving, slingeren ze de sterren zwaartekracht, waardoor ze een deel van hun orbitale energie overdragen aan een ster elke keer dat ze het doen. De emissie van zwaartekrachtsgolven vermindert ook de energie van de zwarte gaten.
Uiteindelijk stoten de twee zwarte gaten genoeg orbitale energie af om te vertragen en dichter bij elkaar te komen en binnen een paar parsecs van elkaar te komen. Het probleem is dat, naarmate ze de afstand verkleinen, steeds meer materie via slingerschieten uit hun omgeving wordt uitgestoten. Dat betekent dat de zwarte gaten geen interactie meer hebben en meer orbitale energie afgeven. Op dat moment loopt het samenvoegingsproces vast. Of het zou moeten.
Toch weten astrofysici dat zwarte gaten samensmelten omdat ze getuige zijn geweest van de krachtige zwaartekrachtgolven. In feite ontdekt LIGO (Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory) ongeveer een keer per week een samenvoeging van zwarte gaten. Hoe ze aan het einde met elkaar versmelten, wordt het laatste parsec-probleem genoemd.
Het team achter deze studie denkt dat ze misschien een antwoord hebben. Ze denken dat een derde zwart gat, zoals ze in dit systeem hebben waargenomen, de boost kan geven die nodig is om twee gaten te laten samensmelten. Als een paar zwarte gaten in een trinair systeem elkaar naderen, kan het derde gat hen beïnvloeden om de laatste parsec te sluiten en samen te voegen.
Volgens computersimulaties zal ongeveer 16% van de paren superzware zwarte gaten in botsende sterrenstelsels interactie hebben gehad met een derde superzwaar zwart gat voordat ze samensmelten. Die fusies zouden zwaartekrachtsgolven veroorzaken, maar het probleem is dat die golven te laagfrequent zijn om door LIGO of het VIRGO-observatorium te worden gedetecteerd.
Om die op te sporen, moeten wetenschappers mogelijk vertrouwen op toekomstige observatoria zoals LISA, ESA / NASA's Laser Interferometer Space Antenna. LISA zal zwaartekrachtgolven met een lagere frequentie waarnemen dan LIGO of VIRGO en is beter uitgerust om superzware zwarte gaten samen te voegen.
Het artikel dat deze resultaten presenteert, is getiteld "Een drievoudige AGN in een mid-infrarood geselecteerde late fase Galaxy-fusie."
Meer:
- Persbericht: Gevonden: drie zwarte gaten bij aanvaringscursus
- Onderzoeksartikel: een drievoudige AGN in een midden-infrarood geselecteerde late fase Galaxy-fusie
- Wikipedia: Final Parsec Problem
- LISA: Laser Interferometer Space Antenna
