I decennier har astronomer visat att Supermassive Black Holes (SMBH) är bosatta i mitten av de mest massiva galaxerna. Dessa svarta hål, som sträcker sig från att vara hundratusentals till miljarder solmassor, utövar ett starkt inflytande på omgivande material och tros vara orsaken till Active Galactic Nuclei (AGN). Så länge astronomer har känt till dem har de försökt förstå hur SMBHs bildar och utvecklas.
I två nyligen publicerade studier rapporterar två internationella forskargrupper om upptäckten av fem nyupptäckta svarthålspar i centrum för avlägsna galaxer. Denna upptäckt kan hjälpa astronomer att kasta nytt ljus på hur SMBH bildas och växer över tiden, för att inte tala om hur svarthålssammanslagningar producerar de starkaste gravitationsvågorna i universum.
De första fyra kandidaterna med svart håravfall rapporterades i en studie med titeln "Buried AGNs in Advanced Mergers: Mid-Infrared Color Selection as A Dual AGN Finder", som leddes av Shobita Satyapal, professor i astrofysik vid George Mason University. Denna studie accepterades för publicering i The Astrophysical Journal och dök nyligen upp online.
Den andra studien, som rapporterade den femte kandidaten för dubbla svarta hålen, leddes av Sarah Ellison - en astrofysikprofessor vid University of Victoria. Det publicerades nyligen i Månadsmeddelanden från Royal Astronomical Society under titeln "Upptäckt av en dubbel aktiv galaktisk kärna med ~ 8 kpc separering". Upptäckten av dessa fem svarta hålpar var mycket lyckosam med tanke på att par är en mycket sällsynt fynd.
Som Shobita Satyapal förklarade i ett Chandra-pressmeddelande:
”Astronomer hittar enstaka supermassiva svarta hål över hela universum. Men även om vi har förutspått att de växer snabbt när de interagerar, har det varit svårt att hitta dubbla supermassiva svarta hål.“
Svarthålparna upptäcktes genom att kombinera data från ett antal olika markbaserade och rymdbaserade instrument. Detta inkluderade optiska data från Sloan Digital Sky Survey (SDSS) och det markbaserade Large Binocular Telescope (LBT) i Arizona med nära-infraröd data från Wide-Field Infrared Survey Explorer (WISE) och röntgendata från NASAs Chandra Röntgenobservatorium.
För deras studier försökte Satyapal, Ellison och deras respektive lag att upptäcka dubbla AGN, som tros vara en följd av galaktiska sammanslagningar. De började med att konsultera optiska data från SDSS för att identifiera galaxer som tycktes vara i fusion. Data från WISE-undersökningen med all himmel användes sedan för att identifiera de galaxer som visade de mest kraftfulla AGN: erna.
De konsulterade sedan data från Chandra's Advanced CCD Imaging Spectrometer (ACIS) och LBT för att identifiera sju galaxer som tycktes befinna sig i ett avancerat faser. Studien under ledning av Ellison förlitade sig också på optiska data som tillhandahålls av kartläggningen närliggande galaxer vid Apache Point Observatory (MaNGA) -undersökningen för att fastställa ett av de nya svarta hålparen.
Från de kombinerade uppgifterna fann de att fem av de sju sammanslagna galaxerna var värd för möjliga dubbla AGN, som separerades med mindre än 10 kiloparsek (över 30 000 ljusår). Detta bevisades av de infraröda uppgifterna från WISE, vilket var förenligt med vad som förutses av snabbt växande supermassiva svarta hål.
Dessutom visade Chandra-uppgifterna nära åtskilda par röntgenkällor, vilket också är förenligt med svarta hål som sakta saknar ansluts till dem. Dessa infraröda och röntgenuppgifter antydde också att de supermassiva svarta hålen begravdes i stora mängder damm och gas. Som Ellison antydde var dessa resultat resultatet av ett noggrant arbete som bestod av att sortera genom flera våglängder av data:
”Vårt arbete visar att det att kombinera det infraröda valet med röntgenuppföljning är ett mycket effektivt sätt att hitta dessa svarthålspar. Röntgenstrålar och infraröd strålning kan tränga igenom de dolda molnen av gas och damm som omger dessa svarta hålpar, och Chandras skarpa vision behövs för att skilja dem ”.
Innan denna studie hade mindre än tio par växande svarta hål bekräftats baserat på röntgenstudier, och dessa var mestadels av en slump. Detta senaste verk, som upptäckte fem svarthålspar med kombinerade data, var därför både lyckligt och betydande. Bortsett från att stärka hypotesen att supermassiva svarta hål bildas från sammanslagningen av mindre svarta hål, har dessa studier också allvarliga konsekvenser för gravitationsvågforskning.
"Det är viktigt att förstå hur vanliga supermassiva svarthålspar är, för att hjälpa till att förutsäga signalerna för observationsorgan för gravitationsvågor," sade Satyapa. ”Med experiment redan på plats och framtida som kommer online är detta en spännande tid att undersöka sammanslagning av svarta hål. Vi är i de tidiga stadierna av en ny era när vi utforskar universum. ”
Sedan 2016 har totalt fyra fall av gravitationella vågor upptäckts av instrument som Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) och VIRGO Observatory. Dessa upptäckter var emellertid resultatet av sammanslagningar av svarthål där svarta hål alla var mindre och mindre massiva - mellan åtta och 36 solmassor.
Supermassiva svarta hål är å andra sidan mycket mer massiva och kommer sannolikt att ge en mycket större gravitationsvågsignatur när de fortsätter att närma sig varandra. Och om några hundra miljoner år, när dessa par så småningom smälter samman, kommer den resulterande energin som produceras av massan som omvandlas till gravitationsvågor vara otrolig.
För närvarande kan detektorer som LIGO och Virgo inte upptäcka gravitationella vågor som skapats av Supermassive Black Hole-par. Detta arbete utförs av matriser som det nordamerikanska Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav), som förlitar sig på högprecision millisekund pulsars för att mäta påverkan av gravitationsvågor på rymden.
Den föreslagna laserinterferometern rymdantennen (LISA), som kommer att vara den första dedikerade rymdbaserade gravitationsvågdetektorn, förväntas också hjälpa till i sökningen. Under tiden har gravitationsvågforskning redan haft stor nytta av samarbetsinsatser som den som finns mellan Advanced LIGO och Advanced Virgo.
I framtiden förväntar sig forskare också att de kommer att kunna studera inredningarna i supernovor genom gravitationsvågforskning. Detta kommer sannolikt att avslöja en hel del om mekanismerna bakom bildandet av svart hål. Mellan alla dessa pågående insatser och framtida utveckling kan vi förvänta oss att "höra" mycket mer av universum och de mest kraftfulla krafter som arbetar inom det.
Var noga med att kolla in denna animation som visar hur den eventuella sammanslagningen av två av dessa svarta hålpar ser ut, med tillstånd av Chandra röntgenobservatorium:
