Går supermassive sorte huller sammen og danner binære systemer?

I centrum af de fleste galakser er sorte huller så massive - op til flere milliarder gange vores sols masse - at de har opnået beskrivelsen "supermassive". Sammenlign dette med dit almindelige sorte hul med stjernemasse, sølle 10 til 100 gange vores sols masse. At forstå disse supermassive sorte huller vil hjælpe astronomer med at forstå galaksernes oprindelse og udvikling. Et åbent spørgsmål er, om de kan danne binære filer.

Stjernemasse sorte huller danner binære systemer, to sorte huller, der kredser om hinanden, hvis de dannes ved sammenbrud af et dobbeltstjernesystem, eller muligvis når to sorte huller fanger hinanden i deres tyngdekraft. De går i spiral, til sidst smelter sammen i en begivenhed så kraftig, at den sender en krusning gennem rum og tid kendt som en gravitationsbølge. Et par år siden, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detekterede gravitationsbølger fra en sådan begivenhed for første gang.

Så teoretisk set, sammensmeltningen af ​​to galakser kan resultere i et binært sort hul af den supermassive sort, men indtil videre har astronomer ikke entydigt opdaget en af ​​disse begivenheder. Penn State professor i astronomi og astrofysik Michael Eracleous er i spidsen for jagten.

"For omkring ti år siden, flere artikler blev offentliggjort, der hævdede at have opdaget binære supermassive sorte huller, " sagde han. "Jeg havde arbejdet noget med binære supermassive sorte huller som kandidatstuderende, så jeg følte mig nødsaget til at gå i gang med et projekt for at indsamle en masse data for at kunne give et modspil til påstandene i disse papirer. Da jeg først kom ind i det, Jeg så, hvor forbundet det var med galakseudviklingen."

"Da jeg kom til Penn State, Jeg vidste, at afdelingen passede perfekt til den type forskning, jeg laver, " sagde han. "Jeg har fået nogle gode forbindelser med mine kolleger her, og nu ved jeg, at hvis jeg nogensinde sidder fast, alt, der skal til, er en kop kaffe og en samtale for at rydde op."

Så hvordan leder du efter noget, du aldrig har set?

"I meget af astronomi, observation kommer først - vi ser noget, og det informerer vores teori, " sagde Eracleous. "For binære supermassive sorte huller, teorien driver observationerne. Indtil vi finder en, spørgsmålene er "Skal de eksistere?" og "Skal vi lede efter dem?" Og svaret på begge spørgsmål er bestemt "Ja".

En væsentlig forskel mellem supermassive sorte huller og stjernemasse sorte huller er gas. Når sorte huller med stjernemasse dannes, efter at en stjerne eksploderer i en supernova, det meste af gassen bliver kørt væk. Men supermassive sorte huller menes at bære gasser med sig. Disse gasser udsender lyssignaler, der kan detekteres af store teleskoper udstyret med spektrografer her på Jorden, såsom 11 meter Hobby-Eberly Telescope (HET).

Eracleous forklarede, at gasserne detekteres af spektrografen som emissionslinjer med en bestemt bølgelængde, og de kunne holde nøglen til at identificere en supermassiv binær. Når de sorte huller kredser om hinanden, emissionslinjerne fra disse gasser forskydes på grund af Doppler-effekten. Emissionslinjerne fra et sort hul forskydes til længere bølgelængder, og dem fra den anden forskydes til kortere bølgelængder. Så forskere forventer to separate emissionslinjer, en fra hvert sort hul.

"Hvis vi kunne følge emissionslinjerne i løbet af en bane, vi ville se dem krydse frem og tilbage, mens signalerne fra hvert sort hul skiftede den ene vej og derefter den anden, " sagde Eracleous.

Selvfølgelig, selve søgningen er ikke så ligetil. Praktiske funktioner som begrænset tilgængelighed af tid på de store teleskoper, der er nødvendige for at foretage disse observationer, betyder, at astronomer ikke bare kan se og vente på at se de afslørende tegn på en supermassiv binær. Men det behøver de ikke. I stedet, de identificerer kandidater fra en indledende undersøgelse og foretager regelmæssige check-in for at se, om spektrene fra disse kandidater har ændret sig, som det kunne forventes baseret på teoretiske modeller.

"At bruge Hobby-Eberly-teleskopet til at foretage disse observationer gør vores liv lettere, fordi vi ikke engang behøver at gå til observatoriet for at indsamle dataene, " sagde Eracleous. "HET drives af fastboende astronomer, der foretager observationerne og sender os dataene."

Processen er langsom, men Eracleous forklarede, at når de først finder et binært supermassivt sort hul, søgningen bør accelerere.

"Det første bekræftede binære supermassive sorte hul vil være som Rosetta-stenen, " sagde han. "Det vil fortælle os, hvilke af vores modeller der var rigtige, og hvilke der var forkerte. Det vil give os mulighed for at forfine vores næste søgninger, og vi burde være i stand til at finde flere."

Astronomer er allerede ved at udvikle teknologien til de næste søgninger. Eracleous er involveret i planlægningen af ​​Laser Interferometer Space Antenna (LISA). LISA er for LIGO, hvad et supermassivt sort hul er for et sort hul med stjernemasse. Hvor LIGO består af to fire kilometer lange lasere vinkelret på hinanden, LISAs tre rumfartøjer vil blive forbundet med lasere, der rejser 2,5 millioner kilometer og danner en ligesidet trekant. LISAs skala og det faktum, at den er rumbaseret, betyder, at den kan detektere gravitationsbølger med lav bølgelængde væk fra støjkilder her på Jorden.

"LISA vil blive indstillet til at finde gravitationsbølger som dem, der ville være resultatet af en supermassiv sort hul-fusion, " sagde Eracleous.

For Eracleous, Penn State's Department of Astronomy and Astrophysics har givet det støttende miljø, der er nødvendigt for hans søgning.