Et par supermassive sorte huller opdaget på en kollisionskurs

Astronomer har set et fjernt par titaniske sorte huller på vej mod en kollision.

Hvert sort huls masse er mere end 800 millioner gange vores sols masse. Efterhånden som de to gradvist nærmer sig hinanden i en dødsspiral, de vil begynde at sende gravitationsbølger, der risler gennem rumtiden. Disse kosmiske krusninger vil slutte sig til den endnu uopdagede baggrundsstøj fra gravitationsbølger fra andre supermassive sorte huller.

Selv før den skæbnebestemte kollision, gravitationsbølgerne, der udgår fra det supermassive sorte hul-par, vil dværge dem, der tidligere er opdaget fra sammensmeltningen af ​​meget mindre sorte huller og neutronstjerner.

"Supermassive sorte hul-binære filer producerer de højeste gravitationsbølger i universet, " siger medopdageren Chiara Mingarelli, en associeret forsker ved Flatiron Institute's Center for Computational Astrophysics i New York City. Gravitationsbølger fra supermassive sorte hul-par "er en million gange højere end dem detekteret af LIGO."

Undersøgelsen blev ledet af Andy Goulding, en associeret forsker ved Princeton University. Goulding, Mingarelli og samarbejdspartnere fra Princeton og U.S. Naval Research Laboratory i Washington, D.C., rapporter om opdagelsen 10. juli in Det Astrofysiske tidsskriftsbreve .

De to supermassive sorte huller er særligt interessante, fordi de er omkring 2,5 milliarder lysår væk fra Jorden. Da at se på fjerne objekter i astronomi er som at se tilbage i tiden, parret tilhører et univers, der er 2,5 milliarder år yngre end vores eget. Tilfældigvis, det er nogenlunde den samme tid, som astronomerne vurderer, at de sorte huller vil tage at begynde at producere kraftige gravitationsbølger.

I nutidens univers, de sorte huller udsender allerede disse gravitationsbølger, men selv med lysets hastighed når bølgerne os ikke i milliarder af år. Duoen er stadig nyttig, selvom. Deres opdagelse kan hjælpe videnskabsmænd med at vurdere, hvor mange nærliggende supermassive sorte huller, der udsender gravitationsbølger, som vi kunne opdage lige nu.

Detektering af gravitationsbølgebaggrunden vil hjælpe med at løse nogle af de største ubekendte inden for astronomi, såsom hvor ofte galakser smelter sammen, og om supermassive sorte hul-par overhovedet smelter sammen eller bliver hængende i en næsten uendelig vals omkring hinanden.

"Det er en stor forlegenhed for astronomi, at vi ikke ved, om supermassive sorte huller smelter sammen, " siger studie medforfatter Jenny Greene, en professor i astrofysiske videnskaber ved Princeton. "For alle i det sorte huls fysik, Observationsmæssigt er dette et mangeårigt puslespil, som vi skal løse."

Supermassive sorte huller indeholder millioner eller endda milliarder af soles masse. Næsten alle galakser, inklusive Mælkevejen, indeholde mindst en af ​​giganterne i deres kerne. Når galakser smelter sammen, deres supermassive sorte huller mødes og begynder at kredse om hinanden. Over tid, denne bane strammer sig, når gas og stjerner passerer mellem de sorte huller og stjæler energi.

Når de supermassive sorte huller kommer tæt nok på, selvom, dette energityveri stopper næsten. Nogle teoretiske undersøgelser tyder på, at sorte huller derefter går i stå med omkring 1 parsec (cirka 3,2 lysår) fra hinanden. Denne afmatning varer næsten på ubestemt tid og er kendt som det sidste parsec-problem. I dette scenarie, kun meget sjældne grupper på tre eller flere supermassive sorte huller resulterer i fusioner.

Astronomer kan ikke bare lede efter standsede par, fordi længe før de sorte huller er 1 parsec fra hinanden, de er for tæt på at skelne som to separate objekter. I øvrigt, de producerer ikke stærke gravitationsbølger, før de overvinder den sidste parsec-hindring og kommer tættere på hinanden. (Observeret som de var for 2,5 milliarder år siden, de nyfundne supermassive sorte huller vises med omkring 430 parsecs fra hinanden.)

Hvis det sidste parsec-problem ikke eksisterer, så forventer astronomer, at universet er fyldt med larmet af gravitationsbølger fra supermassive sorte hul-par. "Denne støj kaldes gravitationsbølgebaggrunden, og det er lidt som et kaotisk kor af græshopper, der kvidrer om natten, " siger Goulding. "Du kan ikke skelne en cricket fra en anden, men lydstyrken hjælper dig med at vurdere, hvor mange græshopper der er derude." (Når to supermassive sorte huller til sidst støder sammen og kombineres, de udsender en tordnende kvidren, der dværger alle andre. En sådan begivenhed er kort og usædvanlig sjælden, selvom, så forskerne forventer ikke at opdage en på det nærmeste.)

Gravitationsbølgerne genereret af supermassive sorte hul-par er uden for de frekvenser, der i øjeblikket kan observeres af eksperimenter som LIGO og Jomfruen. I stedet, gravitationsbølgejægere er afhængige af rækker af specielle stjerner kaldet pulsarer, der fungerer som metronomer. De hurtigt roterende stjerner sender radiobølger ud i en stabil rytme. Hvis en forbipasserende gravitationsbølge strækker eller komprimerer rummet mellem Jorden og pulsaren, rytmen er lidt smidt af.

Det kræver tålmodighed og masser af overvågede stjerner at detektere gravitationsbølgebaggrunden ved hjælp af en af ​​disse pulsar-timing-arrays. En enkelt pulsars rytme kan blive forstyrret med kun et par hundrede nanosekunder over et årti. Jo højere baggrundsstøjen er, jo større tidsforstyrrelse, og jo hurtigere vil den første detektering blive foretaget.

Goulding, Greene og de andre observationsastronomer på holdet opdagede de to titaner med Hubble-rumteleskopet. Selvom supermassive sorte huller ikke er direkte synlige gennem et optisk teleskop, de er omgivet af lyse klumper af lysende stjerner og varm gas trukket ind af den kraftige gravitationsslæb. For sin tid i historien, galaksen, der huser det nyfundne supermassive sorte hul-par "er dybest set den mest lysende galakse i universet, " siger Goulding. Hvad mere er, galaksens kerne skyder to usædvanligt kolossale gasfaner ud. Efter at forskerne pegede Hubble-rumteleskopet mod galaksen for at afsløre oprindelsen af ​​dens spektakulære gasskyer, de opdagede, at systemet ikke indeholdt ét, men to massive sorte huller.

Observationsforskerne slog sig derefter sammen med gravitationsbølgefysikere Mingarelli og Princeton-kandidatstuderende Kris Pardo for at fortolke fundet i sammenhæng med gravitationsbølgebaggrunden. Opdagelsen giver et ankerpunkt til at estimere, hvor mange supermassive sorte hul-par, der er inden for detektionsafstand fra Jorden. Tidligere skøn var baseret på computermodeller af, hvor ofte galakser smelter sammen, snarere end faktiske observationer af supermassive sorte hul-par.

Baseret på resultaterne, Pardo og Mingarelli forudsiger, at der i et optimistisk scenario er omkring 112 nærliggende supermassive sorte huller, der udsender gravitationsbølger. Den første påvisning af tyngdebølgebaggrunden fra supermassive sorte huller bør derfor komme inden for de næste fem år eller deromkring. Hvis en sådan påvisning ikke foretages, det ville være bevis på, at det endelige parsec-problem kan være uoverkommeligt. Holdet kigger i øjeblikket på andre galakser, der ligner den, der huser det nyfundne supermassive sorte hul-par. At finde yderligere par vil hjælpe dem med at finpudse deres forudsigelser yderligere.