I en galax som är fyra miljarder ljusår bort är tre supermassiva svarta hål låsta i ett virvlande omfamning. Det är den tätaste trio av svarta hål hittills känd och antyder till och med att dessa tätt packade system är vanligare än tidigare trott.
"Det som förblir extraordinärt för mig är att dessa svarta hål, som är ytterst i Einsteins teori om allmän relativitet, kretsar varandra med 300 gånger ljudets hastighet på jorden," sade huvudförfattaren Roger Deane från University of Cape Stad i ett pressmeddelande.
”Inte bara det, utan med hjälp av de kombinerade signalerna från radioteleskop på fyra kontinenter kan vi se detta exotiska system en tredjedel av vägen över universum. Det ger mig stor spänning eftersom det bara är att skrapa ytan på en lång lista med upptäckter som kommer att möjliggöras med Square Kilometer Array. ”
Systemet, kallad SDSS J150243.091111557.3, identifierades först som en kvasar - ett supermassivt svart hål i mitten av en galax, som snabbt tillförs material och lyser ljust - för fyra år sedan. Men dess spektrum var något galet med dess dubbelt joniserade syreutsläppslinje [OIII] uppdelad i två toppar istället för en.
En gynnsam förklaring föreslog att det fanns två aktiva supermassiva svarta hål som gömde sig i galaxens kärna.
En aktiv galax visar typiskt enstaka smala utsläppslinjer, som härrör från ett omgivande område med joniserad gas, berättade Deane till Space Magazine. Det faktum att denna aktiva galax uppvisar dubbla topputsläppslinjer tyder på att det finns två omgivande områden med joniserad gas och därför två aktiva supermassiva svarta hål.
Men ett av de supermassiva svarta hålen var omsluten av damm. Så Deane och kollegor grävde lite längre. De använde en teknik som kallas Very Long Baseline Interferometry (VLBI), som är ett sätt att länka teleskop tillsammans och kombinera signaler separerade med upp till 10 000 km för att se detaljer 50 gånger större än Hubble Space Telescope.
Observationer från det europeiska VLBI-nätverket - ett antal europeiska, kinesiska, ryska och sydamerikanska antenner - avslöjade att det dammtäckta supermassiva svarta hålet återigen var två istället för en, vilket gör systemet till tre supermassiva svarta hål totalt.
"Det här var så förvånande", sa Deane till Space Magazine. ”Vårt mål var att bekräfta de två misstänkta svarta hålen. Vi förväntade oss inte att en av dessa faktiskt var två, som bara kunde avslöjas av det europeiska VLBI-nätverket på grund av [den] mycket fina detaljer som den kan urskilja. ”
Deane och kollegor tittade igenom sex liknande galaxer innan de hittade sin första trio. Det faktum att de hittade en så snabbt antyder att de är vanligare än tidigare trott.
Före idag var bara fyra tripplar med svart hål kända, med det närmaste paret var 2,4 kiloparsek från varandra - ungefär 2000 gånger avståndet från Jorden till den närmaste stjärnan, Proxima Centauri. Men det närmaste paret i denna trio separeras med endast 140 parsec - ungefär 10 gånger samma avstånd.
Även om Deane och kollegor förlitade sig på den fenomenala upplösningen av VLBI-tekniken för att rumsligt separera de två närbelägna svarta hålen, visade de också att deras närvaro kunde härledas från större funktioner. Det svarta hålets orbitalrörelse, till exempel, är intryckt på sina stora strålar och vrider dem till en spiralformad form. Detta kan ge mindre teleskop ett verktyg för att hitta dem med mycket större effektivitet.
"Om resultatet håller på kommer det att bli väldigt coolt," sa binär supermassiv svarthålsexpert Jessie Runnoe från Pennsylvania State University till Space Magazine. Denna forskning har flera konsekvenser för att förstå ytterligare fenomen.
Den första belyser galaxutvecklingen. Två eller tre supermassiva svarta hål är den rökande pistolen som galaxen har släppts samman med en annan. Så genom att titta på dessa galaxer i detalj, kan astronomer förstå hur galaxer har utvecklats till deras nutida former och storlekar.
Den andra belyser ett fenomen som kallas gravitationsstrålning. Einsteins allmänna relativitetsteori förutspår att när en av de två eller tre supermassiva svarta hålen spiraler inåt, gravitationsvågor - krusningar i rymdetidens tyger - sprider sig ut i rymden.
Framtida radioteleskop bör kunna mäta gravitationella vågor från sådana system som deras banor förfaller.
"Ytterligare i framtiden kommer Square Kilometre Array att göra det möjligt för oss att hitta och studera dessa system i utsökt detalj, och verkligen låta oss [få] en mycket bättre förståelse för hur svarta hål formar galaxer under universums historia," sade medförfattare Matt Jarvis från universiteten i Oxford och Western Cape.
Forskningen publicerades idag i tidskriften Nature.
