Galaxies hit single, fordobler, og tredobbelt (voksende sorte huller)

Når tre galakser støder sammen, hvad sker der med de store sorte huller i midten af ​​hver? En ny undersøgelse ved hjælp af NASAs Chandra X-ray Observatory og flere andre teleskoper afslører nye oplysninger om, hvor mange sorte huller, der rasende vokser efter disse galaktiske smash ups.

Astronomer ønsker at lære mere om galaktiske kollisioner, fordi de efterfølgende fusioner er en vigtig måde, hvorpå galakser og de gigantiske sorte huller i deres kerner vokser over kosmisk tid.

"Der har været mange undersøgelser af, hvad der sker med supermassive sorte huller, når to galakser smelter sammen, " sagde Adi Foord fra Stanford University, der ledede undersøgelsen. "Vores er en af ​​de første til systematisk at se på, hvad der sker med sorte huller, når tre galakser mødes."

Hun og hendes kolleger identificerede tredobbelte galaksefusionssystemer ved at krydsmatche arkiverne - der indeholder data, der nu er offentligt tilgængelige - fra NASAs WISE-mission og Sloan Digital Sky Survey (SDSS) til Chandra-arkivet. Ved hjælp af denne metode fandt de syv tredobbelte galaksefusioner placeret mellem 370 millioner og en milliard lysår fra Jorden.

Ved hjælp af specialiseret software udviklet Foord til hendes ph.d. ved University of Michigan i Ann Arbor, holdet gennemgik Chandra-data rettet mod disse systemer for at opdage røntgenkilder, der markerer placeringen af ​​voksende supermassive sorte huller. Når materiale falder mod et sort hul, det bliver opvarmet til millioner af grader og producerer røntgenstråler.

Chandra, med sit skarpe røntgensyn, er ideel til at opdage voksende supermassive sorte huller i fusioner. De tilknyttede røntgenkilder er udfordrende at opdage, fordi de normalt er tæt sammen på billeder og ofte er svage. Foords software er udviklet specifikt til at finde sådanne kilder. Data fra andre teleskoper blev derefter brugt til at udelukke andre mulige oprindelser af røntgenstrålingen, der ikke var relateret til supermassive sorte huller.

Resultaterne fra Foord og holdet viser, at ud af syv tredobbelte galaksefusioner er der én med et enkelt voksende supermassivt sort hul, fire med dobbeltvoksende supermassive sorte huller, og en, der er en tredobbelt. Den sidste tredobbelte fusion, de undersøgte, ser ud til at være slået igennem uden nogen røntgenstråling detekteret fra de supermassive sorte huller. I systemer med flere sorte huller, afstandene mellem dem varierer mellem omkring 10, 000 og 30, 000 lysår.

"Hvorfor bekymrer vi os om rammeprocenten af ​​disse sorte huller?" sagde medforfatter Jessie Runnoe fra Vanderbilt University i Nashville, Tenn. "Fordi disse statistikker kan fortælle os mere om, hvordan sorte huller og de galakser, de bebor, vokser."

Da de fandt beviser for lysstærke røntgenkilder som kandidater til at dyrke supermassive sorte huller i Chandra-dataene, forskerne indarbejdede arkivdata fra andre teleskoper. Som en anden dommer, der konfererer om det oprindelige opkald, disse data understøttede ideen om, at flere sorte huller var til stede i de fusionerede galakser.

For at foretage disse opkald studerede forfatterne infrarøde data fra WISE-missionen, den infrarøde astronomiske satellit, og Two Micron All Sky Telescope for at se, hvor hurtigt stjerner dannes i de forskellige galakser i deres undersøgelse. Dette gjorde det muligt for dem at estimere, hvor mange af de opdagede røntgenstråler, der sandsynligvis kommer fra røntgen-emitterende systemer, der indeholder massive stjerner, snarere end et voksende supermassivt sort hul. Fordi sådanne stjernesystemer er unge, er de mere almindelige, når stjerner dannes hurtigere. Foord og hendes kolleger brugte denne teknik til at konkludere, at en af ​​røntgenkilderne, de fandt, sandsynligvis stammer fra en samling af røntgenstråleudsendende stjernesystemer.

Chandra- og WISE-dataene viser, at systemet med voksende supermassive sorte huller har den største mængde støv og gas. Dette matcher teoretiske computersimuleringer af fusioner, der tyder på, at højere niveauer af gas nær sorte huller er mere tilbøjelige til at udløse hurtig vækst af de sorte huller.

Undersøgelser af tredobbelte fusioner kan hjælpe forskere med at forstå, om par af supermassive sorte huller kan nærme sig så tæt på hinanden, at de laver krusninger i rumtiden kaldet gravitationsbølger. Den energi, der går tabt af disse bølger, vil uundgåeligt få de sorte huller til at smelte sammen.

Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) og Virgo-arrayet i Europa har vist astronomer, at sorte huller med stjernemasse skaber gravitationsbølger og smelter sammen, men det vides ikke, om supermassive sorte huller gør.

"Der er et "mareridtsscenarie", hvor supermassive sorte huller ikke kan miste energi nok til at komme tæt på hinanden og lave gravitationsbølger," sagde medforfatter Michael Koss fra Eureka Scientific i Oakland. Californien. "Hvis dette er tilfældet, vil projekter som LISA og pulsar timing arrays ikke have nogen supermassive sorte hul-fusioner at opdage".

Imidlertid, tyngdekraftsinteraktioner fra et tredje supermassivt sort hul kan forhindre denne standsningsproces. Studier af supermassive sorte huller i systemer, hvor tre galakser smelter sammen, er derfor vigtige for at forstå, om mareridtsscenariet kan være gældende.

Systemet med tre voksende supermassive sorte huller var tidligere blevet rapporteret af Ryan Pfeifle fra George Mason University i Fairfax, Virginia i en Chandra-pressemeddelelse og et papir fra oktober 2019 i The Astrophysical Journal , og et team ledet af Xin Lui fra University of Illinois i Urbana-Champaign i en afhandling fra december 2019 i The Astrophysical Journal . Dette seneste resultat hjælper med at sætte denne opdagelse i sammenhæng med andre tredobbelte fusioner af galakser.

Foord præsenterede den nye undersøgelse på det 237. møde i American Astronomical Society, som afholdes stort set fra 11.-15. januar, 2021. To artikler, der beskriver dette arbejde, er for nylig blevet accepteret til udgivelse i The Astrophysical Journal ..