Astronomer måler det tungeste sorte hul-par, der nogensinde er fundet

Ved hjælp af arkivdata fra Gemini North-teleskopet har et hold astronomer målt det tungeste par supermassive sorte huller, der nogensinde er fundet. Sammensmeltningen af ​​to supermassive sorte huller er et fænomen, der længe har været forudsagt, men aldrig observeret. Dette massive par giver fingerpeg om, hvorfor en sådan begivenhed virker så usandsynlig i universet.

Næsten alle massive galakser er vært for et supermassivt sort hul i midten. Når to galakser smelter sammen, kan deres sorte huller danne et binært par, hvilket betyder, at de er i en bundet bane med hinanden. Det er en hypotese, at disse binære filer til sidst smelter sammen, men dette er aldrig blevet observeret. Spørgsmålet om, hvorvidt en sådan begivenhed er mulig, har været et diskussionsemne blandt astronomer i årtier.

I et nyligt offentliggjort papir i The Astrophysical Journal , et hold af astronomer har præsenteret ny indsigt i dette spørgsmål.

Holdet brugte data fra Gemini North-teleskopet i Hawai'i, den ene halvdel af International Gemini Observatory, der drives af NSF's NOIRLab, til at analysere et supermassivt sort huls binært materiale placeret i den elliptiske galakse B2 0402+379. Dette er den eneste supermassive sorte hul-binære, der nogensinde er løst i tilstrækkelig detaljer til at se begge objekter separat, og det har rekorden for at have den mindste adskillelse, der nogensinde er målt direkte - blot 24 lysår. Mens denne tætte adskillelse forudsiger en stærk fusion, afslørede yderligere undersøgelser, at parret har været gået i stå på denne afstand i over tre milliarder år, hvilket rejser spørgsmålet:Hvad er det?

For bedre at forstå dynamikken i dette system og dets standsede fusion, kiggede holdet på arkivdata fra Gemini Norths Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS), som gjorde det muligt for dem at bestemme stjernernes hastighed i nærheden af ​​de sorte huller.

"Den fremragende følsomhed af GMOS gjorde det muligt for os at kortlægge stjernernes stigende hastigheder, når man ser tættere på galaksens centrum," sagde Roger Romani, fysikprofessor ved Stanford University og medforfatter af papiret. "Med det var vi i stand til at udlede den samlede masse af de sorte huller, der bor der."

Holdet vurderer binærens masse til at være hele 28 milliarder gange solens, hvilket kvalificerer parret som det tungeste binære sorte hul nogensinde målt. Denne måling giver ikke kun værdifuld kontekst til dannelsen af ​​det binære system og historien om dets værtsgalakse, men den understøtter den langvarige teori om, at massen af ​​et supermassivt binært sort hul spiller en nøglerolle i at stoppe en potentiel fusion.

"Dataarkivet, der betjener International Gemini Observatory, rummer en guldmine af uudnyttet videnskabelig opdagelse," siger Martin Still, NSF-programdirektør for International Gemini Observatory. "Massemålinger for dette ekstreme supermassive binære sorte hul er et ærefrygtindgydende eksempel på den potentielle effekt fra ny forskning, der udforsker det rige arkiv."

At forstå, hvordan denne binære dannede kan hjælpe med at forudsige, om og hvornår den vil smelte sammen - og en håndfuld spor peger på, at parret dannes via flere galaksefusioner. Den første er, at B2 0402+379 er en "fossilhob", hvilket betyder, at den er resultatet af en hel galaksehobs værdi af stjerner og gas, der smelter sammen til en enkelt massiv galakse. Derudover antyder tilstedeværelsen af ​​to supermassive sorte huller, kombineret med deres store kombinerede masse, at de er et resultat af sammenlægningen af ​​flere mindre sorte huller fra flere galakser.

Efter en galaktisk fusion støder supermassive sorte huller ikke frontalt sammen. I stedet begynder de at slynge forbi hinanden, mens de sætter sig i en bundet bane. For hver gang de laver, overføres energi fra de sorte huller til de omgivende stjerner. Efterhånden som de mister energi, trækkes parret tættere og tættere ned, indtil de kun er lysår fra hinanden, hvor gravitationsstrålingen tager over, og de smelter sammen. Denne proces er blevet observeret direkte i par af sorte huller med stjernemasse – det første registrerede tilfælde var i 2015 via detektering af gravitationsbølger – men aldrig i en binær af den supermassive variant.

Med ny viden om systemets ekstremt store masse konkluderede holdet, at et usædvanligt stort antal stjerner ville have været nødvendigt for at bremse binærens kredsløb nok til at bringe dem så tæt på. I processen ser de sorte huller ud til at have slynget næsten alt stoffet ud i deres nærhed og efterladt galaksens kerne sultet af stjerner og gas. Da der ikke er mere materiale tilgængeligt til yderligere at bremse parrets kredsløb, er deres fusion gået i stå i de sidste stadier.

"Normalt ser det ud til, at galakser med lettere sorte hul-par har nok stjerner og masse til at drive de to sammen hurtigt," sagde Romani. "Da dette par er så tungt, krævede det masser af stjerner og gas for at få arbejdet gjort. Men binæren har gennemsøgt den centrale galakse af sådanne stoffer og efterladt den gået i stå og tilgængelig for vores undersøgelse."

Om parret vil overvinde deres stagnation og til sidst smelte sammen på tidsskalaer på millioner af år, eller fortsætte i orbital limbo for evigt, er endnu ikke afgjort. Hvis de smelter sammen, ville de resulterende gravitationsbølger være hundrede millioner gange kraftigere end dem, der frembringes af fusioner af sorte huler af stjerner med masse.

Det er muligt, at parret kunne erobre den sidste afstand via en anden galaksefusion, som ville injicere systemet med yderligere materiale, eller potentielt et tredje sort hul, for at bremse parrets kredsløb nok til at smelte sammen. Men givet B2 0402+379's status som en fossil klynge, er endnu en galaktisk fusion usandsynlig.

"Vi ser frem til opfølgende undersøgelser af B2 0402+379's kerne, hvor vi vil se på, hvor meget gas der er til stede," siger Tirth Surti, Stanford bachelor og hovedforfatter på papiret. "Dette burde give os mere indsigt i, om de supermassive sorte huller i sidste ende kan smelte sammen, eller om de vil forblive strandet som en binær."

Flere oplysninger: Tirth Surti et al., The Central Kinematics and Black Hole Mass of 4C+37.11, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad14fa

Leveret af National Science Foundation