Korištenje arhivskih podataka teleskopa Blizanci sjever, astronomi su izmjerili najteži par supermasivnih crnih rupa ikada pronađen. Spajanje dviju supermasivnih crnih rupa je fenomen koji se dugo predviđao, ali nikada nije opažen. Ovaj masivni par daje naznake zašto se takav događaj čini malo vjerojatnim u svemiru.
Gotovo svaka masivna galaksija sadrži supermasivnu crnu rupu u svom središtu. Kada se dvije galaksije spoje, njihove crne rupe mogu formirati binarni par, odnosno biti u vezanoj orbiti jedna s drugom. Pretpostavlja se da je suđeno da se ti binarni parovi spoje tijekom vremena, ali to nikada nije primijećeno. Pitanje je li takav događaj moguć već je desetljećima predmet rasprava među astronomima.
Astronomi su koristili podatke s teleskopa Gemini North na Havajima, koji je jedna polovica Međunarodnog opservatorija Gemini kojim upravlja NOIRLab Nacionalnog instituta za fiziku, za analizu supermasivne binarne crne rupe koja se nalazi u eliptičnoj galaksiji B2 0402+379. To je jedina supermasivna binarna crna rupa koja je viđena dovoljno detaljno da se oba objekta vide odvojeno, a drži i rekord za najmanju udaljenost koja je izravno izmjerena, samo 24 svjetlosne godine. Iako je tako blizu udaljenosti dobar slutnja za snažno spajanje, daljnja istraživanja su pokazala da je par zapeo na ovoj udaljenosti više od tri milijarde godina, što nameće pitanje: Koji je razlog odgode?
Kako bi bolje razumjeli dinamiku ovog sustava i njegovo zaustavljeno spajanje, tim se okrenuo arhivskim podacima Gemini North Multi-Object Spectrograph (GMOS), koji im je omogućio određivanje brzina zvijezda u blizini crnih rupa.
"Iznimna osjetljivost GMOS-a omogućila nam je mapiranje povećanja brzine zvijezda kako se približavaju središtu galaksije", rekao je Roger Romani, profesor fizike na Sveučilištu Stanford i koautor rada. "Zahvaljujući tome, uspjeli smo izvući zaključak o ukupnoj masi crnih rupa koje se tamo nalaze."
Tim procjenjuje da je masa binarne crne rupe 28 milijardi puta veća od mase Sunca, što ovaj par čini najtežom binarnom crnom rupom ikada izmjerenom. Ovo mjerenje ne samo da pruža vrijedan kontekst za formiranje binarnog sustava i povijest njegove galaksije domaćina, već također potvrđuje dugotrajnu teoriju da masa supermasivne binarne crne rupe igra ključnu ulogu u zadržavanju potencijalnog spajanja.
"Arhiva podataka Međunarodne zvjezdarnice Gemini sadrži zlatni rudnik neiskorištenih znanstvenih otkrića", rekao je Martin Still, programski direktor NSF-a za Međunarodnu zvjezdarnicu Gemini. "Mjerenje mase ove supermasivne binarne crne rupe upečatljiv je primjer potencijalnog utjecaja novih istraživanja koja ispituju ovu bogatu arhivu."
Razumijevanje načina na koji je ova dvojna datoteka nastala može pomoći u predviđanju hoće li se i kada spojiti - nekoliko tragova ukazuje na to da je par nastao spajanjem više galaksija. Prvo, B2 0402+379 je "fosilni klaster", odnosno rezultat spajanja zvijezda i plina cijelog jata galaksija u jednu masivnu galaksiju. Osim toga, prisutnost dviju supermasivnih crnih rupa, u kombinaciji s njihovom velikom kombiniranom masom, sugerira da su nastale spajanjem nekoliko manjih crnih rupa iz različitih galaksija.
Nakon galaktičkog spajanja, supermasivne crne rupe ne sudaraju se frontalno. Umjesto toga, počinju letjeti jedni pokraj drugih, postavljajući se u ograničenu orbitu. Sa svakim prolazom, energija se prenosi iz crnih rupa na okolne zvijezde. Gubeći energiju, par se približava sve bliže i bliže dok se ne razdvoje svjetlosnim godinama, gdje gravitacijsko zračenje preuzima primat i spajaju se. Ovaj proces je izravno opažen u parovima crnih rupa zvjezdane mase – prvi slučaj zabilježen je 2015. zahvaljujući detekciji gravitacijskih valova – ali nikada nije opažen u binarnim supermasivnim sustavima.
S novim saznanjima o iznimno velikoj masi sustava, tim je zaključio da bi bio potreban iznimno velik broj zvijezda da uspori orbitu binarnog sustava dovoljno da ih približi. U tom procesu, čini se da su crne rupe izbacile gotovo svu materiju oko sebe, ostavljajući galaktičku jezgru bez zvijezda i plina. Kako više nije bilo materijala za daljnje usporavanje orbite para, njihovo spajanje je zastalo u svojoj završnoj fazi.
"Čini se da galaksije s lakšim parovima crnih rupa obično imaju dovoljno zvijezda i mase da se brzo približe", kaže Romani. “Budući da je ovaj par tako težak, potrebno mu je mnogo zvijezda i goriva da obavi posao. Ali binar je očistio središnju galaksiju od takve materije, ostavljajući je zamrznutu i dostupnu za naše istraživanje."
Hoće li prevladati stagnaciju i na kraju se spojiti za milijune godina ili će zauvijek ostati u orbitalnom limbu, ostaje za vidjeti. Ako se spoje, rezultirajući gravitacijski valovi bit će 100 milijuna puta jači od onih nastalih spajanjem crnih rupa zvjezdane mase.
Moguće je da bi par mogao prevladati ovu konačnu udaljenost kroz još jedno galaktičko spajanje, koje bi udahnulo dodatni materijal u sustav, ili možda treću crnu rupu, da uspori orbitu para dovoljno da se spoji. Međutim, s obzirom na status B2 0402+379 kao fosilnog klastera, novo spajanje galaksija nije vjerojatno.
"Radujemo se daljnjim istraživanjima jezgre B2 0402+379, gdje ćemo vidjeti koliko plina sadrži", rekao je Tirth Surti, diplomirani student Stanforda i glavni autor rada. "Ovo će nam dati bolji uvid u to mogu li se supermasivne crne rupe spojiti tijekom vremena ili će ostati kao binarni sustav."
Pročitajte također: