Supermassive sorte hul i midten af ​​vores galakse kan have en ven

Har supermassive sorte huller venner? Karakteren af ​​galaksedannelse tyder på, at svaret er ja, og faktisk par supermassive sorte huller burde være almindelige i universet.

Jeg er astrofysiker og interesserer mig for en bred vifte af teoretiske problemer inden for astrofysik, fra dannelsen af ​​de allerførste galakser til tyngdekraftens vekselvirkninger mellem sorte huller, stjerner og endda planeter. Sorte huller er spændende systemer, og supermassive sorte huller og de tætte stjernemiljøer, der omgiver dem, repræsenterer et af de mest ekstreme steder i vores univers.

Det supermassive sorte hul, der lurer i midten af ​​vores galakse, kaldet Sgr A*, har en masse på omkring 4 millioner gange vores sols masse. Et sort hul er et sted i rummet, hvor tyngdekraften er så stærk, at hverken partikler eller lys kan undslippe det. Omkring Sgr A* er en tæt klynge stjerner. Præcise målinger af disse stjerners kredsløb gjorde det muligt for astronomer at bekræfte eksistensen af ​​dette supermassive sorte hul og måle dets masse. I mere end 20 år, videnskabsmænd har overvåget disse stjerners kredsløb omkring det supermassive sorte hul. Baseret på hvad vi har set, mine kolleger og jeg viser, at hvis der er en ven der, det kan være et andet sort hul i nærheden, der er mindst 100, 000 gange Solens masse.

Supermassive sorte huller og deres venner

Næsten alle galakser, inklusive vores Mælkevej, har et supermassivt sort hul i hjertet, med masser af millioner til milliarder af gange Solens masse. Astronomer studerer stadig, hvorfor galaksernes hjerte ofte er vært for et supermassivt sort hul. En populær idé forbindes med muligheden for, at supermassive huller har venner.

For at forstå denne idé, vi skal tilbage til dengang universet var omkring 100 millioner år gammelt, til æraen med de allerførste galakser. De var meget mindre end nutidens galakser, omkring 10, 000 eller flere gange mindre massiv end Mælkevejen. Inden for disse tidlige galakser skabte de allerførste stjerner, der døde, sorte huller, af omkring ti til tusinde af Solens masse. Disse sorte huller sank til tyngdepunktet, hjertet af deres værtsgalakse. Da galakser udvikler sig ved at smelte sammen og kollidere med hinanden, kollisioner mellem galakser vil resultere i supermassive sorte hul-par - nøgledelen af ​​denne historie. De sorte huller støder derefter sammen og vokser også i størrelse. Et sort hul, der er mere end en million gange vores søns masse, betragtes som supermassivt.

Hvis det supermassive sorte hul faktisk har en ven, der kredser omkring sig i tæt kredsløb, centrum af galaksen er låst i en kompleks dans. Partnernes gravitationsslæbebåde vil også udøve sit eget træk på de nærliggende stjerner, der forstyrrer deres baner. De to supermassive sorte huller kredser om hinanden, og på samme tid, hver udøver sit eget træk på stjernerne omkring sig.

Tyngdekraften fra de sorte huller trækker på disse stjerner og får dem til at ændre deres kredsløb; med andre ord, efter en omdrejning omkring det supermassive sorte hul-par, en stjerne vil ikke gå helt tilbage til det punkt, hvor den begyndte.

Ved at bruge vores forståelse af gravitationsinteraktionen mellem det mulige supermassive sorte hul-par og de omgivende stjerner, astronomer kan forudsige, hvad der vil ske med stjerner. Astrofysikere som mine kolleger og jeg kan sammenligne vores forudsigelser med observationer, og derefter kan bestemme stjerners mulige kredsløb og finde ud af, om det supermassive sorte hul har en ledsager, der udøver gravitationspåvirkning.

Ved hjælp af en velstuderet stjerne, kaldet S0-2, som kredser om det supermassive sorte hul, der ligger i centrum af galaksen hvert 16. år, vi kan allerede udelukke ideen om, at der er et andet supermassivt sort hul med masse over 100, 000 gange Solens masse og længere end omkring 200 gange afstanden mellem Solen og Jorden. Hvis der var sådan en følgesvend, så ville jeg og mine kolleger have opdaget dets virkninger på SO-2's kredsløb.

Men det betyder ikke, at et mindre følgesvend sort hul stadig ikke kan gemme sig der. Et sådant objekt ændrer muligvis ikke SO-2's kredsløb på en måde, som vi nemt kan måle.

Fysikken i supermassive sorte huller

Supermassive sorte huller har fået meget opmærksomhed på det seneste. I særdeleshed, det seneste billede af sådan en kæmpe i centrum af galaksen M87 åbnede et nyt vindue til at forstå fysikken bag sorte huller.

Nærheden af ​​Mælkevejens galaktiske centrum - kun 24, 000 lysår væk - giver et unikt laboratorium til at løse problemer i den grundlæggende fysik af supermassive sorte huller. For eksempel, astrofysikere som jeg vil gerne forstå deres indvirkning på galaksernes centrale områder og deres rolle i galaksedannelse og -evolution. Påvisningen af ​​et par supermassive sorte huller i det galaktiske centrum ville indikere, at Mælkevejen smeltede sammen med et andet, muligvis lille, galakse på et eller andet tidspunkt i fortiden.

Det er ikke alt, hvad overvågning af de omkringliggende stjerner kan fortælle os. Målinger af stjernen S0-2 gjorde det muligt for videnskabsmænd at udføre en unik test af Einsteins generelle relativitetsteori. I maj 2018, S0-2 zoomede forbi det supermassive sorte hul i en afstand på kun omkring 130 gange Jordens afstand fra Solen. Ifølge Einsteins teori, bølgelængden af ​​lys, der udsendes af stjernen, bør strække sig, når den klatrer fra den dybe gravitationsbrønd i det supermassive sorte hul.

Den strækkende bølgelængde, som Einstein forudsagde - som får stjernen til at se rødere ud - blev opdaget og beviser, at teorien om almen relativitet præcist beskriver fysikken i denne ekstreme gravitationszone. Jeg venter spændt på den næstnærmeste tilgang til S0-2, som vil ske om cirka 16 år, fordi astrofysikere som jeg selv vil være i stand til at teste flere af Einsteins forudsigelser om generel relativitetsteori, herunder ændringen af ​​orienteringen af ​​stjernernes aflange bane. Men hvis det supermassive sorte hul har en partner, dette kan ændre det forventede resultat.

Endelig, hvis der er to massive sorte huller, der kredser om hinanden i det galaktiske centrum, som mit team foreslår er muligt, de vil udsende gravitationsbølger. Siden 2015 har LIGO-Virgo-observatorierne har detekteret gravitationsbølgestråling fra sammensmeltede sorte huller med stjernemasse og neutronstjerner. Disse banebrydende påvisninger har åbnet en ny måde for videnskabsmænd at fornemme universet.

Alle bølger, der udsendes af vores hypotetiske sorte hul-par, vil være ved lave frekvenser, for lav til, at LIGO-Jomfru-detektorerne kan mærke. Men en planlagt rumbaseret detektor kendt som LISA er muligvis i stand til at detektere disse bølger, som vil hjælpe astrofysikere med at finde ud af, om vores sorte hul i vores galaktiske center er alene eller har en partner.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.