Astronomer finder par af sorte huller i centrum af fusionerende galakser

For første gang, et hold af astronomer har observeret adskillige par af galakser i de sidste faser af at smelte sammen til en enkelt, større galakser. Kigger gennem tykke mure af gas og støv, der omgiver de fusionerende galaksers rodede kerner, forskerholdet fangede par af supermassive sorte huller - som hver især engang indtog centrum af en af ​​de to oprindelige mindre galakser - og trak sig tættere sammen, før de smelter sammen til ét gigantisk sort hul.

Ledet af University of Maryland alumnus Michael Koss (M.S. '07, Ph.D. '11, astronomi), en forsker hos Eureka Scientific, Inc., med bidrag fra UMD-astronomer, holdet undersøgte hundredvis af nærliggende galakser ved hjælp af billeder fra W.M. Keck-observatoriet på Hawaii og NASAs Hubble-rumteleskop. Hubble-observationerne repræsenterer mere end 20 års billeder fra teleskopets lange arkiv. Holdet beskrev deres resultater i et forskningspapir offentliggjort den 8. november, 2018, i journalen Natur .

"At se parrene af fusionerende galaksekerner forbundet med disse enorme sorte huller så tæt på hinanden var ret fantastisk, " sagde Koss. "I vores undersøgelse, vi ser to galaksekerner lige da billederne blev taget. Du kan ikke argumentere med det; det er et meget "rent" resultat, som ikke er afhængig af fortolkning."

Billederne i høj opløsning giver også et nærbillede af et fænomen, som astronomer formoder var mere almindeligt i det tidlige univers, da galaksefusioner var hyppigere. Når de sorte huller endelig kolliderer, de vil frigive kraftig energi i form af gravitationsbølger - krusninger i rum-tid, der for nylig blev opdaget for første gang af de to Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) detektorer.

Billederne forudsiger også, hvad der sandsynligvis vil ske om et par milliarder år, når vores Mælkevejsgalakse smelter sammen med den nærliggende Andromeda-galakse. Begge galakser er vært for supermassive sorte huller i deres centrum, som til sidst vil smadre sammen og smelte sammen til et større sort hul.

Holdet var inspireret af et Hubble-billede af to interagerende galakser, der tilsammen kaldes NGC 6240, som senere fungerede som prototype for undersøgelsen. Holdet søgte først efter visuelt sløret, aktive sorte huller ved at sigte gennem 10 års røntgendata fra Burst Alert Telescope (BAT) ombord på NASAs Neil Gehrels Swift Observatory.

"Fordelen ved at bruge Swifts BAT er, at den observerer høj energi, 'hårde' røntgenstråler, " sagde studiemedforfatter Richard Mushotzky, en professor i astronomi ved UMD og en fellow fra Joint Space-Science Institute (JSI). "Disse røntgenstråler trænger gennem de tykke skyer af støv og gas, der omgiver aktive galakser, lader BAT se ting, der bogstaveligt talt er usynlige i andre bølgelængder."

Forskerne finkæmmede derefter Hubble-arkivet, nulstillede de smeltende galakser, de fik øje på i røntgendataene. De brugte derefter Keck-teleskopets superskarpe, nær-infrarødt syn for at observere en større prøve af de røntgen-producerende sorte huller, der ikke findes i Hubble-arkivet.

Holdet målrettede galakser placeret i gennemsnit 330 millioner lysår fra Jorden - relativt tæt på i kosmiske termer. Mange af galakserne svarer i størrelse til Mælkevejen og Andromeda-galakserne. I alt, holdet analyserede 96 galakser observeret med Keck-teleskopet og 385 galakser fra Hubble-arkivet.

Deres resultater tyder på, at mere end 17 procent af disse galakser er vært for et par sorte huller i deres centrum, som er låst i de sene stadier af spiral stadig tættere sammen, før de smelter sammen til en enkelt, ultramassivt sort hul. Forskerne var overraskede over at finde en så høj andel af fusioner i de sene stadier, fordi de fleste simuleringer tyder på, at sorte hul-par bruger meget lidt tid i denne fase.

For at tjekke deres resultater, forskerne sammenlignede undersøgelsesgalakserne med en kontrolgruppe på 176 andre galakser fra Hubble-arkivet, der mangler aktivt voksende sorte huller. I denne gruppe, kun omkring én procent af de undersøgte galakser var mistænkt for at være vært for par af sorte huller i de senere stadier af sammensmeltning.

Dette sidste trin hjalp forskerne med at bekræfte, at de lysende galaktiske kerner, der blev fundet i deres optælling af støvede, interagerende galakser, faktisk er et signatur på hurtigt voksende sorte hul-par, der er på vej mod en kollision. Ifølge forskerne, dette fund er i overensstemmelse med teoretiske forudsigelser, men indtil nu, var ikke blevet bekræftet ved direkte observationer.

"Folk havde udført undersøgelser for at lede efter disse tæt interagerende sorte huller før, men det, der virkelig muliggjorde denne særlige undersøgelse, var røntgenstrålerne, der kan bryde gennem støvets kokon, " forklarede Koss. "Vi kiggede også lidt længere i universet, så vi kunne overskue et større rumfang, giver os en større chance for at finde mere lysende, hurtigt voksende sorte huller."

Det er ikke let at finde galaktiske kerner så tæt på hinanden. De fleste tidligere observationer af fusionerende galakser har fanget de koalescerende sorte huller på tidligere stadier, da de var omkring 10 gange længere væk. Den sene fase af fusionsprocessen er så uhåndgribelig, fordi de interagerende galakser er indkapslet i tæt støv og gas, kræver meget højopløselige observationer, der kan se gennem skyerne og lokalisere de to sammensmeltende kerner.

"Computersimuleringer af galakse-smashups viser os, at sorte huller vokser hurtigst i de sidste faser af fusioner, nær det tidspunkt, hvor de sorte huller interagerer, og det er, hvad vi har fundet i vores undersøgelse, " sagde Laura Blecha, en assisterende professor i fysik ved University of Florida og en medforfatter af undersøgelsen. Blecha var JSI Prize Postdoc Fellow i UMD Department of Astronomy, før han kom til UF's fakultet i 2017. "Det faktum, at sorte huller vokser hurtigere og hurtigere, efterhånden som fusioner skrider frem, fortæller os, at galaksemøder er virkelig vigtige for vores forståelse af, hvordan disse objekter kom til være så monstrøst stor."

Fremtidige infrarøde teleskoper såsom NASAs længe ventede James Webb Space Telescope (JWST), planlagt til lancering i 2021, vil give et endnu bedre overblik over fusioner i støvede, stærkt tilslørede galakser. For nærliggende sorte hul-par, JWST bør også være i stand til at måle masserne, vækstrater og andre fysiske parametre for hvert sort hul.

"Der kan være andre objekter, som vi savnede. Selv med Hubble, mange nærliggende galakser med lav rødforskydning kan ikke løses - de to kerner smelter bare sammen til én, " sagde undersøgelsens medforfatter Sylvain Veilleux, en professor i astronomi ved UMD og en JSI Fellow. "Med JWSTs højere vinkelopløsning og følsomhed over for det infrarøde, som kan passere gennem disse galaksers støvede kerner, søgninger efter disse nærliggende objekter bør være nemme at udføre. Også med JWST, vi vil være i stand til at skubbe mod større afstande, for at se objekter med højere rødforskydning. Med disse observationer, vi kan begynde at udforske den brøkdel af objekter, der smelter sammen i den yngste, fjerneste områder af universet - hvilket burde være ret hyppigt."