Använda arkivteleskopdata Tvillingarna norr, mätte astronomer det tyngsta paret supermassiva svarta hål som någonsin hittats. Sammanslagningen av två supermassiva svarta hål är ett fenomen som länge har förutspåtts, men aldrig observerats. Detta massiva par ger ledtrådar till varför en sådan händelse verkar osannolik i universum.
Nästan varje massiv galax innehåller ett supermassivt svart hål i mitten. När två galaxer smälter samman kan deras svarta hål bilda ett binärt par, det vill säga vara i en bunden bana med varandra. Det antas att dessa binära par är avsedda att smälta samman med tiden, men detta har aldrig observerats. Frågan om en sådan händelse är möjlig har varit ett debattämne bland astronomer i decennier.
Astronomer använde data från Gemini North-teleskopet på Hawaii, som är ena hälften av Gemini International Observatory som drivs av National Institute of Physics NOIRLab, för att analysera det supermassiva binära svarta hålet i den elliptiska galaxen B2 0402+379. Det är det enda supermassiva binära svarta hålet som har setts tillräckligt detaljerat för att se båda objekten separat, och det har rekordet för det kortaste avståndet som har uppmätts direkt, bara 24 ljusår. Även om ett så nära avstånd lovar gott för en kraftfull sammanslagning, visade ytterligare undersökningar att paret har fastnat på detta avstånd i över tre miljarder år, vilket väcker frågan: Vad är orsaken till förseningen?
För att bättre förstå dynamiken i detta system och dess avstannade sammanslagning vände sig teamet till arkivdata från Gemini North Multi-Object Spectrograph (GMOS), som gjorde det möjligt för dem att bestämma hastigheten för stjärnor i närheten av svarta hål.
"Den anmärkningsvärda känsligheten hos GMOS gjorde det möjligt för oss att kartlägga ökningen av stjärnornas hastighet när de närmar sig galaxens centrum", säger Roger Romani, professor i fysik vid Stanford University och medförfattare till tidningen. "Tack vare detta kunde vi dra en slutsats om den totala massan av svarta hål som finns där."
Teamet uppskattar att massan av det binära svarta hålet är 28 miljarder gånger solens, vilket gör paret till det tyngsta binära svarta hålet som någonsin uppmätts. Denna mätning ger inte bara ett värdefullt sammanhang för bildandet av det binära systemet och historien om dess värdgalax, utan bekräftar också den långvariga teorin att massan av ett supermassivt binärt svart hål spelar en nyckelroll för att hålla tillbaka en potentiell sammanslagning.
"Dataarkivet Gemini International Observatory innehåller en guldgruva av outnyttjade vetenskapliga upptäckter", säger Martin Still, NSF-programchef för Gemini International Observatory. "Att mäta massan av detta supermassiva binära svarta hål är ett slående exempel på den potentiella effekten av ny forskning som undersöker detta rika arkiv."
Att förstå hur detta binära format kan hjälpa till att förutsäga om och när det kommer att smälta samman – flera ledtrådar indikerar att paret bildades från sammanslagning av flera galaxer. För det första är B2 0402+379 ett "fossilt kluster", det vill säga resultatet av sammanslagning av stjärnor och gas från en hel galaxhop till en massiv galax. Dessutom antyder närvaron av två supermassiva svarta hål, i kombination med deras stora kombinerade massa, att de bildades från sammanslagning av flera mindre svarta hål från olika galaxer.
Efter en galaktisk sammanslagning kolliderar inte supermassiva svarta hål frontalt. Istället börjar de flyga förbi varandra och sätter sig i en begränsad omloppsbana. Med varje pass överförs energi från de svarta hålen till de omgivande stjärnorna. Förlorar energin dras paret närmare och närmare tills det är ljusår från varandra, där gravitationsstrålningen tar över och de smälter samman. Denna process har direkt observerats i par av svarta hål av stjärnmassa – det första fallet registrerades 2015 tack vare detekteringen av gravitationsvågor – men har aldrig observerats i binära supermassiva system.
Med ny kunskap om systemets extremt stora massa kom teamet fram till att det skulle krävas ett extremt stort antal stjärnor för att bromsa det binära systemets omloppsbana tillräckligt mycket för att föra dem närmare varandra. Under processen verkar svarta hål ha kastat ut nästan all materia runt dem, vilket lämnar den galaktiska kärnan utan stjärnor och gas. Utan mer material för att ytterligare bromsa parets omloppsbana stannade deras sammanslagning i sina slutskede.
"Galaxer med ljusare svarta hålspar verkar vanligtvis ha tillräckligt med stjärnor och massa för att komma nära snabbt", säger Romani. "Eftersom det här paret är så tungt behöver det mycket stjärnor och gas för att få jobbet gjort. Men binären rensade den centrala galaxen från sådan materia och lämnade den frusen och tillgänglig för vår studie."
Om de kommer att övervinna stagnation och så småningom smälta samman om miljoner år, eller förbli i orbital limbo för alltid, återstår att se. Om de smälter samman kommer de resulterande gravitationsvågorna att vara 100 miljoner gånger kraftfullare än de som produceras av att slå samman svarta hål av stjärnmassa.
Det är möjligt att paret skulle kunna övervinna detta slutliga avstånd genom en annan galaktisk sammanslagning, som skulle andas in ytterligare material i systemet, eller kanske ett tredje svart hål, för att sakta ner parets omloppsbana tillräckligt mycket för att det ska smälta samman. Men med tanke på B2 0402+379s status som ett fossilt kluster är en ny galaxsammanslagning osannolik.
"Vi ser fram emot ytterligare studier av kärnan i B2 0402+379, där vi kommer att se hur mycket gas den innehåller", säger Tirth Surti, doktorand i Stanford och huvudförfattare till tidningen. "Detta kommer att ge oss mer insikt om huruvida supermassiva svarta hål kan smälta samman med tiden, eller om de kommer att förbli som ett binärt system."
Läs också: