Hubble ser dobbelte kvasarer i fusionerende galakser

NASAs Hubble-rumteleskop "ser det dobbelte". Kigger 10 milliarder år tilbage i universets fortid, Hubble-astronomer fandt et par kvasarer, der er så tæt på hinanden, at de ligner et enkelt objekt på jordbaserede teleskopfotos. men ikke i Hubbles skarpe udsigt.

Forskerne mener, at kvasarerne er meget tæt på hinanden, fordi de bor i kernerne af to fusionerende galakser. Holdet fortsatte med at vinde den "daily double" ved at finde endnu et kvasarpar i en anden kolliderende galakseduo.

En kvasar er et strålende fyrtårn af intenst lys fra midten af ​​en fjern galakse, der kan overstråle hele galaksen. Den er drevet af et supermassivt sort hul, der glubsk lever af oppustelige stof, udløser en strøm af stråling.

"Vi vurderer, at i det fjerne univers, for hver 1, 000 kvasarer, der er en dobbelt kvasar. Så at finde disse dobbelte kvasarer er som at finde en nål i en høstak, " sagde ledende forsker Yue Shen fra University of Illinois i Urbana-Champaign.

Opdagelsen af ​​disse fire kvasarer tilbyder en ny måde at undersøge kollisioner mellem galakser og sammensmeltningen af ​​supermassive sorte huller i det tidlige univers, siger forskere.

Kvasarer er spredt over hele himlen og var mest udbredt for 10 milliarder år siden. Der var en masse galaksefusioner dengang, der fodrede de sorte huller. Derfor, astronomer teoretiserer, at der skulle have været mange dobbelte kvasarer i løbet af den tid.

"Dette er virkelig den første prøve af dobbelte kvasarer på toppen af ​​galaksedannelsens epoke, som vi kan bruge til at undersøge ideer om, hvordan supermassive sorte huller kommer sammen for til sidst at danne en binær, " sagde forskerteammedlem Nadia Zakamska fra Johns Hopkins University i Baltimore, Maryland.

Holdets resultater blev vist i 1. april onlineudgaven af ​​tidsskriftet Natur astronomi .

Shen og Zakamska er medlemmer af et team, der bruger Hubble, Den Europæiske Rumorganisations Gaia-rumobservatorium, og Sloan Digital Sky Survey, samt flere jordbaserede teleskoper, at udarbejde en robust folketælling af kvasarpar i det tidlige univers.

Observationerne er vigtige, fordi en kvasars rolle i galaktiske møder spiller en afgørende rolle i galaksedannelsen, siger forskerne. Da to tætte galakser begynder at forvrænge hinanden gravitationsmæssigt, deres interaktion tragter materiale ind i deres respektive sorte huller, antænde deres kvasarer.

Over tid, stråling fra disse højintensive "pærer" udsender kraftige galaktiske vinde, som fejer det meste af gassen ud fra de smeltende galakser. Frataget gas, stjernedannelsen ophører, og galakserne udvikler sig til elliptiske galakser.

"Kvasarer har en dyb indvirkning på galaksedannelsen i universet, " sagde Zakamska. "At finde dobbelte kvasarer i denne tidlige epoke er vigtigt, fordi vi nu kan teste vores mangeårige ideer om, hvordan sorte huller og deres værtsgalakser udvikler sig sammen."

Astronomer har hidtil opdaget mere end 100 dobbelte kvasarer i fusionerende galakser. Imidlertid, ingen af ​​dem er så gamle som de to dobbelte kvasarer i denne undersøgelse.

Hubble-billederne viser, at kvasarer inden for hvert par kun er omkring 10, 000 lysår fra hinanden. Til sammenligning, vores sol er 26, 000 lysår fra det supermassive sorte hul i midten af ​​vores galakse.

Værtsgalakseparrene vil til sidst smelte sammen, og så vil kvasarerne også smelte sammen, resulterer i en endnu mere massiv, enkelt sort hul.

Det var ikke nemt at finde dem. Hubble er det eneste teleskop med skarpt udsyn til at kigge tilbage til det tidlige univers og skelne mellem to tætte kvasarer, der er så langt væk fra Jorden. Imidlertid, Hubbles skarpe opløsning alene er ikke god nok til at finde disse dobbelte lysfyr.

Astronomer skulle først finde ud af, hvor de skulle pege Hubble for at studere dem. Udfordringen er, at himlen er dækket af et gobelin af gamle kvasarer, der blussede til liv for 10 milliarder år siden, kun en lille del af dem er dobbelte. Det krævede en fantasifuld og innovativ teknik, der krævede hjælp fra Den Europæiske Rumorganisations Gaia-satellit og den jordbaserede Sloan Digital Sky Survey for at sammensætte en gruppe potentielle kandidater, som Hubble kunne observere.

Beliggende ved Apache Point Observatory i New Mexico, Sloan-teleskopet producerer tredimensionelle kort over objekter over hele himlen. Holdet gennemgik Sloan-undersøgelsen for at identificere kvasarerne for at studere nærmere.

Forskerne tiltrådte derefter Gaia-observatoriet for at hjælpe med at udpege potentielle dobbelt-quasar-kandidater. Gaia måler positionerne, afstande, og bevægelser af nærliggende himmellegemer meget præcist. Men holdet udtænkte en ny, innovativ applikation til Gaia, der kunne bruges til at udforske det fjerne univers. De brugte observatoriets database til at søge efter kvasarer, der efterligner den tilsyneladende bevægelse af nærliggende stjerner. Kvasarerne vises som enkelte objekter i Gaia-dataene. Imidlertid, Gaia kan opfange en subtil, uventet "jiggle" i den tilsyneladende position af nogle af de kvasarer, den observerer.

Kvasarerne bevæger sig ikke gennem rummet på nogen målbar måde, men i stedet kunne deres jiggle være bevis på tilfældige lyssvingninger, da hvert medlem af kvasarparret varierer i lysstyrke. Kvasarer flimrer i lysstyrke på tidsskalaer fra dage til måneder, afhængigt af deres sorte huls fodringsplan.

Denne vekslende lysstyrke mellem kvasarparret svarer til at se et jernbanekrydssignal på afstand. Da lysene på begge sider af det stationære signal skiftevis blinker, tegnet giver en illusion af "jigling".

Da de første fire mål blev observeret med Hubble, dets skarpe syn afslørede, at to af målene er to tætte par kvasarer. Forskerne sagde, at det var et "pære-øjeblik", der bekræftede deres plan om at bruge Sloan, Gaia, og Hubble på jagt efter det gamle, undvigende dobbelte kraftværker.

Teammedlem Xin Liu fra University of Illinois i Urbana-Champaign kaldte Hubble-bekræftelsen for en "glad overraskelse". Hun har længe jagtet efter dobbelte kvasarer tættere på Jorden ved hjælp af forskellige teknikker med jordbaserede teleskoper. "Den nye teknik kan ikke kun opdage dobbelte kvasarer meget længere væk, men det er meget mere effektivt end de metoder, vi har brugt før, " hun sagde.

Deres Natur astronomi artiklen er et "proof of concept, der virkelig viser, at vores målrettede søgning efter dobbelte kvasarer er meget effektiv, " sagde teammedlem Hsiang-Chih Hwang, en kandidatstuderende ved Johns Hopkins University og hovedefterforsker af Hubble-programmet. "Det åbner en ny retning, hvor vi kan akkumulere meget mere interessante systemer til at følge op på, som astronomer ikke var i stand til at gøre med tidligere teknikker eller datasæt."

Holdet opnåede også opfølgende observationer med National Science Foundation NOIRLabs Gemini-teleskoper. "Geminis rumligt opløste spektroskopi kan utvetydigt afvise interlopere på grund af tilfældige superpositioner fra ikke-associerede stjerne-kvasarsystemer, hvor forgrundsstjernen tilfældigt er på linje med baggrundskvasaren, " sagde teammedlem Yu-Ching Chen, en kandidatstuderende ved University of Illinois i Urbana-Champaign.

Selvom holdet er overbevist om deres resultat, de siger, at der er en lille chance for, at Hubble-øjebliksbillederne fangede dobbeltbilleder af den samme kvasar, en illusion forårsaget af gravitationslinser. Dette fænomen opstår, når tyngdekraften af ​​en massiv forgrundsgalakse deler sig og forstærker lyset fra baggrundsquasaren til to spejlbilleder. Imidlertid, forskerne mener, at dette scenarie er meget usandsynligt, fordi Hubble ikke opdagede nogen forgrundsgalakser nær de to kvasarpar.

Galaktiske fusioner var mere rigelige for milliarder af år siden, men nogle få sker stadig i dag. Et eksempel er NGC 6240, et nærliggende system af fusionerende galakser, der har to og muligvis endda tre supermassive sorte huller. En endnu tættere galaktisk fusion vil ske om et par milliarder år, når vores Mælkevejsgalakse kolliderer med nabolandet Andromeda-galaksen. Den galaktiske kamp ville sandsynligvis fodre de supermassive sorte huller i kernen af ​​hver galakse, antænde dem som kvasarer.

Fremtidige teleskoper kan give mere indsigt i disse sammensmeltningssystemer. NASAs James Webb-rumteleskop, et infrarødt observatorium, der er planlagt til at lancere senere i år, vil undersøge kvasarernes værtsgalakser. Webb vil vise signaturerne af galaktiske fusioner, såsom fordelingen af ​​stjernelys og de lange streamers af gas, der trækkes fra de interagerende galakser.