Astronomer har upptäckt tre supermassiva svarta hål (SMBH) i mitten av tre kolliderande galaxer en miljard ljusår från Jorden. Detta är bevis på att alla tre också är aktiva galaktiska kärnor (AGN,) som knölar upp material och blossar ljust.
Denna upptäckt kan kasta lite ljus på det "slutliga parsec-problemet", en långvarig fråga inom astrofysik och sammanslagningar av svarthål.
Astronomer hittade de tre SMBH: erna i data från flera teleskoper, inklusive Sloan Digital Sky Survey (SDSS,) Chandra X-ray Observatory och Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE.) De tre svarta hålen är lindade upp i ett nästan otänkbart episk händelse; en sammanslagning av tre galaxer. Dessa triplettfusioner kan spela en avgörande roll för hur de mest massiva svarta hålen växer över tid.
"Detta är det starkaste beviset som hittills hittats för ett sådant trippelsystem för att aktivt mata supermassiva svarta hål."
Ryan Pfeifle, George Mason University, huvudförfattare.
Astronomerna som fann det förväntade sig inte hitta tre svarta hål i mitten av en trippelgalaxifusion.
"Vi letade bara efter par svarta hål på den tiden, och ändå, genom vår urvalsmetod, snubblat vi över detta fantastiska system," sa Ryan Pfeifle från George Mason University i Fairfax, Virginia, den första författaren till en ny artikel i Astrophysical Journal som beskriver dessa resultat. "Detta är det starkaste beviset som hittills hittats för ett sådant trippelsystem för att aktivt mata supermassiva svarta hål."
Trippel-svarthålssystem är svåra att upptäcka eftersom det händer så mycket i deras närområde. De är höljda av gas och damm som gör det utmanande att se in. I denna studie tog det flera teleskoper som arbetade i olika delar av det elektromagnetiska spektrumet för att avslöja de tre hålen. Det tog också arbetet för vissa medborgare forskare.
De är inte bara svåra att upptäcka utan också sällsynta. "Dubbla och tredubbla svarta hål är oerhört sällsynta," sa medförfattaren Shobita Satyapal, också George Mason, "men sådana system är faktiskt en naturlig följd av galaxföreningar, vilket vi tror är hur galaxer växer och utvecklas."
SDSS var den första som upptäckte denna tredubbla sammanslagning i synligt ljus, men det var bara genom Galaxy Zoo, ett medborgarvetenskapligt projekt, som det identifierades som ett system för kolliderande galaxer. Då såg WISE att systemet glödde i det infraröda, vilket indikerade att det befann sig i en fas av galaxfusionen när mer än ett av de svarta hålen förväntades matas.
Sloan- och WISE-uppgifterna var dock bara främmande ledtrådar, och astronomer vände sig till Chandra-observatoriet och det stora binokulära teleskopet (LBT) för mer bekräftelse. Chandra-observationer visade att det fanns ljusa röntgenkällor i mitten av varje galax. Det är precis där forskare förväntar sig att hitta SMBH.
Mer bevis som visar att SMBH var där anlände från Chandra och NASA: s Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) satellit. De hittade bevis på stora mängder gas och damm nära ett av de svarta hålen. Det förväntas när svarta hål går samman. Andra optiska ljusdata från SDSS och LBT gav spektral bevis som är karakteristiska för de tre SMBH: s utfodring.
"Optiska spektra innehåller en mängd information om en galax," sa medförfattaren Christina Manzano-King från University of California, Riverside. "De används ofta för att identifiera aktivt tillträffande supermassiva svarta hål och kan spegla den inverkan de har på galaxerna som de bor."
Med detta arbete har teamet av astronomer utvecklat ett sätt att hitta fler av dessa trippla svarthålssystem. ”Genom användning av dessa stora observatorier har vi identifierat ett nytt sätt att identifiera trippel supermassiva svarta hål. Varje teleskop ger oss en annan ledtråd om vad som händer i dessa system, säger Pfeifle. "Vi hoppas kunna utöka vårt arbete för att hitta fler tripplar med samma teknik."
De kan också ha kastat lite ljus på det slutliga parsec-problemet.
Det sista Parsec-problemet
Det sista parsec-problemet är centralt för vår förståelse av binära svarthålssammanslagningar. Det är ett teoretiskt problem som säger att när två svarta hål närmar sig varandra hindrar deras överdrivna omloppsenergi dem från att slås samman. De kan komma till inom några ljusår och sedan stannar sammanslagningsprocessen.
När två svarta hål initialt närmar sig varandra, bär deras hyperboliska banor dem rätt förbi varandra. Med tiden, när de två hålen interagerar med stjärnor i deras närhet, kastar de stjärnorna gravitationellt, och överför en del av deras orbitalenergi till en stjärna varje gång de gör det. Utsläppen av gravitationsvågor minskar också de svarta hålens energi.
Så småningom kastar de två svarta hålen tillräckligt med orbital energi för att sakta ner och närma sig varandra närmare, och komma till bara några parsecs av varandra. Problemet är, när de stänger avståndet, matas ut allt mer materie från deras närhet via sling-shotting. Det betyder att det inte finns någon större roll för de svarta hålen att interagera med och kasta mer orbital energi. Då stannar sammanslagningsprocessen. Eller borde det.
Ändå vet astrofysiker att svarta hål smälter samman eftersom de har bevittnat de kraftfulla gravitationsvågorna. Faktum är att LIGO (Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory) upptäcker en sammanslagning av svart hål ungefär en gång i veckan. Hur de smälter samman med varandra kallas det slutliga parsec-problemet.
Teamet bakom denna studie tror att de kan ha ett svar. De tror att ett tredje svarta hål, som de har observerat i detta system, kan ge det boost som behövs för att få två hål att smälta samman. När ett par svarta hål i ett trinärsystem närmar sig varandra kan det tredje hålet påverka dem för att stänga den slutliga parsecen och smälta samman.
Enligt datorsimuleringar kommer cirka 16% av par supermassiva svarta hål i kolliderande galaxer att ha samverkat med ett tredje supermassivt svart hål innan de smälter samman. Dessa sammanslagningar skulle producera gravitationsvågor, men problemet är att dessa vågor skulle vara för lågfrekvent för att LIGO eller VIRGO-observatoriet ska kunna upptäcka.
För att upptäcka dessa kan forskare behöva förlita sig på framtida observatorier som LISA, ESA / NASA: s laserinterferometer Space Antenna. LISA kommer att observera gravitationsvågor med lägre frekvens än LIGO eller VIRGO och är bättre utrustade för att hitta supermassiva svarta hål som slås samman.
Uppsatsen som presenterar dessa resultat har titeln "En trippel AGN i en mellaninfrarad utvald senfas galaxfusion."
Mer:
- Pressmeddelande: Hittade: Tre svarta hål på kollisionskurs
- Forskningsdokument: En trippel AGN i en mellaninfrarod utvald senfas galaxfusion
- Wikipedia: Final Parsec-problem
- LISA: Laserinterferometer Space Antenna
