Et unikt eksperiment til at udforske sorte huller

Hvad sker der, når to supermassive sorte huller støder sammen? Ved at kombinere observationskraften fra to fremtidige ESA-missioner, Athena og LISA, ville tillade os at studere disse kosmiske sammenstød og deres mystiske efterspil for første gang.

Supermassive sorte huller, med masser fra millioner til milliarder af sole, sidder i kernen af ​​de fleste massive galakser på tværs af universet. Vi ved ikke præcis, hvordan disse enorme, enormt tætte genstande tog form, heller ikke hvad der får en brøkdel af dem til at begynde at fortære det omgivende stof i ekstremt intense hastigheder, stråler rigeligt hen over det elektromagnetiske spektrum og forvandler deres værtsgalakser til 'aktive galaktiske kerner'.

At tackle disse åbne spørgsmål i moderne astrofysik er blandt hovedmålene for to fremtidige missioner i ESA's rumvidenskabsprogram:Athena, Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics, og LISA, Laser Interferometer rumantenne. I øjeblikket i studiefasen, begge missioner er planlagt til lancering i begyndelsen af ​​2030'erne.

"Athena og LISA er begge fremragende missioner, der skal gøre gennembrud inden for mange områder af astrofysikken, siger Günther Hasinger, ESA direktør for videnskab.

"Men der er et ekstremt spændende eksperiment, som vi kun kunne udføre, hvis begge missioner er operationelle på samme tid i mindst et par år:at bringe lyd til de 'kosmiske film' ved at observere sammensmeltningen af ​​supermassive sorte huller både i røntgenstråler og gravitationsbølger.

"Med denne unikke mulighed for at udføre hidtil usete observationer af et af de mest fascinerende fænomener i kosmos, synergien mellem Athena og LISA ville i høj grad øge det videnskabelige udbytte fra begge missioner, at sikre europæisk lederskab i en nøgle, nyt forskningsområde."

Athena bliver det største røntgenobservatorium, der nogensinde er bygget, at undersøge nogle af de hotteste og mest energiske fænomener i kosmos med hidtil uset nøjagtighed og dybde.

Det er designet til at besvare to grundlæggende spørgsmål:hvordan supermassive sorte huller i centrum af galakser dannes og udvikler sig, og hvordan 'almindelig' materie samles, sammen med det usynlige mørke stof, at danne det tjusede 'kosmiske web', der gennemsyrer universet.

"Athena kommer til at måle flere hundrede tusinde sorte huller, fra relativt nærliggende til langt væk, observere røntgenstrålingen fra det millioner grader varme stof i deres omgivelser, " siger Matteo Guainazzi, Athena-studieforsker ved ESA.

"Vi er især interesserede i de mest fjerne sorte huller, dem, der blev dannet i de første par hundrede millioner år af universets historie, og vi håber, at vi endelig vil være i stand til at forstå, hvordan de er dannet."

I mellemtiden LISA vil være det første rumbårne observatorium af gravitationsbølger - fluktuationer i rumtidens struktur produceret af accelerationen af ​​kosmiske objekter med meget stærke tyngdefelter, som par af sammensmeltede sorte huller.

Gravitationsbølge astronomi, indviet for kun få år siden, er i øjeblikket begrænset til de højfrekvente bølger, der kan undersøges ved jordbaserede eksperimenter som LIGO og Jomfruen. Disse eksperimenter er følsomme over for sammensmeltninger af relativt små sorte huller - nogle få gange til et par titusinder gange mere massiv end Solen. LISA vil udvide disse undersøgelser ved at detektere lavfrekvente gravitationsbølger, som dem, der frigives, da to supermassive sorte huller støder sammen under en fusion af galakser.

"LISA vil være den første mission af sin art, søger primært efter gravitationsbølger, der kommer fra supermassive sorte huller, der smadrer ind i hinanden, " forklarer Paul McNamara, LISA-studieforsker ved ESA.

"Dette er et af de mest energiske fænomener, vi kender til, frigiver mere energi end hele det stille univers gør til enhver tid. Hvis to supermassive sorte huller smelter sammen hvor som helst i kosmos, LISA vil se det."

De første par gravitationsbølgebegivenheder opdaget af LIGO og Jomfruen mellem 2015 og 2017 stammede alle fra par af sorte huller med stjernemasse, som vides ikke at udstråle noget lys ved sammensmeltning. Derefter, i august 2017, gravitationsbølger, der kommer fra en anden kilde - sammensmeltningen af ​​to neutronstjerner - blev opdaget.

Denne gang, gravitationsbølgerne blev ledsaget af stråling over det elektromagnetiske spektrum, let observeret med et væld af teleskoper på Jorden og i rummet. Ved at kombinere information fra de forskellige typer observationer i en tilgang kendt som multi-messenger astronomi, videnskabsmænd kunne dykke ned i detaljerne i dette aldrig før observerede fænomen.

Med Athena og LISA sammen, vi ville være i stand til at anvende multi-messenger astronomi på supermassive sorte huller for første gang. Simuleringer forudsiger, at deres fusioner, i modsætning til deres modstykker af stjernernes masse, udsender både gravitationsbølger og stråling - sidstnævnte stammer fra det varme, interstellar gas fra de to kolliderende galakser, som omrøres af parret af sorte huller, når de falder mod hinanden.

LISA vil detektere gravitationsbølgerne udsendt af de spiralformede sorte huller omkring en måned før deres endelige sammensmeltning, når de stadig er adskilt med en afstand svarende til flere gange deres radier. Forskere forventer, at en brøkdel af fusionerne fundet af LISA, især dem inden for afstande af et par milliarder lysår fra os, vil give anledning til et røntgensignal, der til sidst kan ses af Athena.

"Når LISA først registrerer et signal, vi ved endnu ikke, hvor det præcist kommer fra, fordi LISA er en all-sky sensor, så det fungerer mere som en mikrofon end et teleskop, " forklarer Paul.

"Imidlertid, som de sorte huller inspirerer til hinanden, amplituden af ​​deres gravitationsbølgesignal stiger. Det her, kombineret med satellitternes bevægelse langs deres baner, vil tillade LISA gradvist at forbedre lokaliseringen af ​​kilden på himlen, indtil det tidspunkt, hvor de sorte huller endelig smelter sammen."

Få dage før slutfasen af ​​fusionen, gravitationsbølgedataene vil begrænse kildens position til en plet på himlen, der måler omkring 10 kvadratgrader - omkring 50 gange arealet af fuldmånen. Det er stadig ret stort, men ville tillade Athena at begynde at scanne himlen for at søge efter et røntgensignal fra dette titaniske sammenstød. Simuleringer indikerer, at de to spiralformede sorte huller modulerer bevægelsen af ​​den omgivende gas, så det er sandsynligt, at røntgensignaturen vil have en frekvens, der svarer til gravitationsbølgesignalets frekvens.

Derefter, blot et par timer før den endelige sammensmeltning af de sorte huller, LISA kan give en meget mere præcis indikation på himlen, omtrent på størrelse med synsfeltet på Athena's Wide Field Imager (WFI), så røntgenobservatoriet kan pege direkte mod kilden.

"At fange røntgensignalet, før de sorte huller bliver til et, vil være meget udfordrende, men vi er ret sikre på, at vi kan foretage en opdagelse under og efter fusionen, " forklarer Matteo.

"Vi kunne se fremkomsten af ​​en ny røntgenkilde, og måske være vidne til fødslen af ​​en aktiv galaktisk kerne, med stråler af højenergipartikler, der sendes tæt på lysets hastighed over og ud over det nydannede sorte hul."

Vi har aldrig observeret sammensmeltning af supermassive sorte huller – vi har endnu ikke faciliteterne til sådanne observationer. Først, vi har brug for LISA til at detektere gravitationsbølgerne og fortælle os, hvor vi skal kigge på himlen; så har vi brug for, at Athena observerer det med høj præcision i røntgenstråler for at se, hvordan den mægtige kollision påvirker gassen omkring de sorte huller. Vi kan bruge teori og simuleringer til at forudsige, hvad der kan ske, men vi er nødt til at kombinere disse to store missioner for at finde ud af det.

For hundrede år siden i denne måned, den 29. maj 1919, observationer af stjernernes positioner under en total solformørkelse gav det første empiriske bevis på lysets gravitationsbøjning, som blev forudsagt et par år tidligere af Albert Einsteins generelle relativitetsteori. Denne historiske formørkelse indledte et århundredes tyngdeeksperimenter på Jorden og i rummet, sætter scenen for inspirerende missioner som Athena og LISA, og flere spændende opdagelser.