På jagt efter et forsvundet kæmpe sort hul

Mysteriet omkring, hvor et supermassivt sort hul befinder sig, er blevet dybere.

På trods af søgning med NASAs Chandra X-ray Observatory og Hubble Space Telescope, astronomer har ingen beviser for, at et fjernt sort hul, der vurderes at veje mellem 3 milliarder og 100 milliarder gange Solens masse, er nogen steder at finde.

Dette manglende sorte hul burde være i den enorme galakse i centrum af galaksehoben Abell 2261, som ligger omkring 2,7 milliarder lysår fra Jorden. Dette sammensatte billede af Abell 2261 indeholder optiske data fra Hubble og Subaru-teleskopet, der viser galakser i hoben og i baggrunden, og Chandra røntgendata, der viser varm gas (farvet pink), der trænger igennem klyngen. I midten af ​​billedet ses den store elliptiske galakse i midten af ​​hoben.

Næsten alle store galakser i universet indeholder et supermassivt sort hul i deres centrum, med en masse, der er millioner eller milliarder af gange Solens. Da massen af ​​et centralt sort hul normalt følger massen af ​​selve galaksen, astronomer forventer, at galaksen i centrum af Abell 2261 indeholder et supermassivt sort hul, der kan måle sig med nogle af de største kendte sorte huller i universet.

Ved at bruge Chandra-data opnået i 1999 og 2004 havde astronomer allerede søgt i midten af ​​Abell 2261's store centrale galakse for tegn på et supermassivt sort hul. De ledte efter materiale, der er blevet overophedet, da det faldt mod det sorte hul og producerede røntgenstråler, men opdagede ikke en sådan kilde.

Nu, med nye, længere Chandra-observationer opnået i 2018, et hold ledet af Kayhan Gultekin fra University of Michigan i Ann Arbor gennemførte en dybere søgning efter det sorte hul i centrum af galaksen. De overvejede også en alternativ forklaring, hvor det sorte hul blev kastet ud fra værtsgalaksens centrum. Denne voldsomme begivenhed kan være et resultat af to galakser, der smeltede sammen for at danne den observerede galakse, ledsaget af det centrale sorte hul i hver galakse, der smelter sammen og danner et enormt sort hul.

Når sorte huller smelter sammen, de producerer krusninger i rumtiden kaldet gravitationsbølger. Hvis den enorme mængde af gravitationsbølger genereret af en sådan begivenhed var stærkere i én retning end en anden, teorien forudsiger, at den nye, endnu mere massivt sort hul ville være blevet sendt væk fra centrum af galaksen i den modsatte retning. Dette kaldes et tilbageslagende sort hul.

Astronomer har ikke fundet endegyldige beviser for at trække sorte huller tilbage, og det vides ikke, om supermassive sorte huller overhovedet kommer tæt nok på hinanden til at producere gravitationsbølger og smelte sammen; indtil nu, astronomer har kun verificeret fusionerne af meget mindre sorte huller. Påvisningen af ​​tilbagegående supermassive sorte huller ville opmuntre videnskabsmænd, der bruger og udvikler observatorier til at lede efter gravitationsbølger fra sammensmeltning af supermassive sorte huller.

Galaksen i centrum af Abell 2261 er en glimrende klynge til at søge efter et sort hul, der vender tilbage, fordi der er to indirekte tegn på, at en fusion mellem to massive sorte huller kan have fundet sted. Først, data fra Hubble og Subaru optiske observationer afslører en galaktisk kerne - det centrale område, hvor antallet af stjerner i galaksen i en given del af galaksen er på eller tæt på den maksimale værdi - der er meget større end forventet for en galakse med dens størrelse. Det andet tegn er, at den tætteste koncentration af stjerner i galaksen er over 2, 000 lysår væk fra centrum af galaksen, hvilket er påfaldende fjernt.

Disse funktioner blev først identificeret af Marc Postman fra Space Telescope Science Institute (STScI) og samarbejdspartnere i deres tidligere Hubble- og Subaru-billeder, og fik dem til at foreslå ideen om et fusioneret sort hul i Abell 2261. Under en fusion, det supermassive sorte hul i hver galakse synker mod midten af ​​den nyligt sammensmeltede galakse. Hvis de bliver bundet til hinanden af ​​tyngdekraften og deres kredsløb begynder at skrumpe, de sorte huller forventes at interagere med omgivende stjerner og skubbe dem ud fra centrum af galaksen. Dette ville forklare Abell 2261's store kerne. Den off-center koncentration af stjerner kan også være forårsaget af en voldsom begivenhed såsom sammensmeltningen af ​​to supermassive sorte huller og efterfølgende rekyl af enkelt, større sort hul, der resulterer.

Selvom der er spor af, at en sort hul-fusion fandt sted, hverken Chandra eller Hubble-data viste beviser for selve det sorte hul. Gultekin og de fleste af hans medforfattere, ledet af Sarah Burke-Spolaor fra West Virginia University, havde tidligere brugt Hubble til at lede efter en klump af stjerner, der kunne være blevet båret væk af et sort hul, der viger tilbage. De studerede tre klumper nær galaksens centrum, og undersøgte, om stjernernes bevægelser i disse klumper er høje nok til at antyde, at de indeholder et ti milliarder sort hul i solmassen. Der blev ikke fundet nogen klare beviser for et sort hul i to af klumperne, og stjernerne i den anden var for svage til at frembringe nyttige konklusioner.

De har også tidligere studeret observationer af Abell 2261 med NSF's Karl G. Jansky Very Large Array. Radioemission detekteret nær galaksens centrum viste beviser for, at supermassiv sorthulsaktivitet havde fundet sted der for 50 millioner år siden, men indikerer ikke, at galaksens centrum i øjeblikket indeholder et sådant sort hul.

De henvendte sig derefter til Chandra for at lede efter materiale, der var blevet overophedet og producerede røntgenstråler, da det faldt mod det sorte hul. Mens Chandra-dataene afslørede, at den tætteste varme gas ikke var i centrum af galaksen, de afslørede ikke nogen mulige røntgensignaturer af et voksende supermassivt sort hul - ingen røntgenkilde blev fundet i midten af ​​klyngen, eller i nogen af ​​stjerneklumperne, eller på stedet for radioudsendelsen.

Forfatterne konkluderede, at der enten ikke er noget sort hul på nogen af ​​disse steder, eller at den trækker materiale ind for langsomt til at producere et detekterbart røntgensignal.

Mysteriet om dette gigantiske sorte huls placering fortsætter derfor. Selvom eftersøgningen ikke lykkedes, håb er fortsat for astronomer, der leder efter dette supermassive sorte hul i fremtiden. Når først lanceret, James Webb-rumteleskopet kan muligvis afsløre tilstedeværelsen af ​​et supermassivt sort hul i midten af ​​galaksen eller en af ​​stjerneklumperne. Hvis Webb ikke er i stand til at finde det sorte hul, så er den bedste forklaring, at det sorte hul har trukket sig godt tilbage fra centrum af galaksen.

Et papir, der beskriver disse resultater, er blevet accepteret til offentliggørelse i et tidsskrift fra American Astronomical Society, og er også tilgængelig online på arxiv.org/abs/2010.13980.