Astronomer har oppdaget tre supermassive sorte hull (SMBH) i sentrum av tre kolliderende galakser en milliard lysår unna Jorden. Dette er et bevis på at alle tre også er aktive galaktiske kjerner (AGN,) som gabbler opp materiale og blusser sterkt.
Denne oppdagelsen kan kaste lys over det "endelige parsec-problemet", et mangeårig spørsmål innen astrofysikk og sammenslåinger av svart hull.
Astronomer fant de tre SMBH-ene i data fra flere teleskoper, inkludert Sloan Digital Sky Survey (SDSS,) Chandra X-ray Observatory, og Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE.) De tre sorte hullene er pakket sammen i et nesten utenkelig episk hendelse; en sammenslåing av tre galakser. Disse sammenslåingene av trillinger kan spille en kritisk rolle i hvordan de mest massive sorte hullene vokser over tid.
"Dette er det sterkeste beviset som ennå er funnet for et så trippel system for aktiv mating av supermassive sorte hull."
Ryan Pfeifle, George Mason University, hovedforfatter.
Astronomene som fant det, ventet ikke å finne tre sorte hull i sentrum av en trippelgalakse-fusjon.
"Vi var bare på utkikk etter par sorte hull den gangen, og likevel, gjennom vår utvalgsteknikk, snublet vi over dette fantastiske systemet," sa Ryan Pfeifle fra George Mason University i Fairfax, Virginia, den første forfatteren av en ny artikkel i The Astrophysical Journal som beskriver disse resultatene. "Dette er det sterkeste beviset som ennå er funnet for et så trippel system for aktiv mating av supermassive sorte hull."
Trippel-svart hullsystem er vanskelig å oppdage fordi det skjer så mye i nabolaget deres. De er omhyllet av gass og støv som gjør det utfordrende å se på. I denne studien tok det flere teleskoper som opererte i forskjellige deler av det elektromagnetiske spekteret for å avdekke de tre hullene. Det tok også arbeidet til noen innbyggerforskere.
De er ikke bare vanskelige å oppdage, men sjeldne. "Doble og tredobbelte sorte hull er svært sjeldne," sa medforfatter Shobita Satyapal, også av George Mason, "men slike systemer er faktisk en naturlig konsekvens av galaksesammenslåinger, som vi tror er hvordan galakser vokser og utvikler seg."
SDSS var den første til å oppdage denne tredoble fusjonen i synlig lys, men det var først gjennom Galaxy Zoo, et samfunnsborgerprosjekt, at det ble identifisert som et system for kolliderende galakser. Da så WISE at systemet glødet i det infrarøde, noe som indikerte at det var i en fase av galakssammenslåingen da mer enn ett av de svarte hullene ble forventet å mate.
Sloan- og WISE-dataene var bare fristende ledetråder, og astronomer henvendte seg til Chandra-observatoriet og det store kikkertteleskopet (LBT) for å få mer bekreftelse. Chandra-observasjoner viste at det var lyse røntgenkilder i sentrum av hver galakse. Det er akkurat der forskere forventer å finne SMBH-er.
Flere bevis som viser at SMBH-er var ankommet fra Chandra og NASAs satellittnukleære spektroskopiske teleskop-array (NuSTAR). De fant bevis på store mengder gass og støv i nærheten av et av de sorte hullene. Det er forventet når sorte hull slås sammen. Andre optiske lysdata fra SDSS og LBT ga spektrale bevis som er karakteristisk for de tre SMBH-ene som mater.
"Optiske spektre inneholder et vell av informasjon om en galakse," sa medforfatter Christina Manzano-King fra University of California, Riverside. "De blir ofte brukt for å identifisere aktivt tiltredende supermassive sorte hull og kan gjenspeile innflytelsen de har på galaksene de bor."
Med dette arbeidet har teamet av astronomer utviklet en måte å finne flere av disse trippel-svart hullsystemene. "Gjennom bruk av disse viktigste observatoriene har vi identifisert en ny måte å identifisere trippel supermassive sorte hull. Hvert teleskop gir oss en annen anelse om hva som skjer i disse systemene, ”sa Pfeifle. "Vi håper å utvide vårt arbeid for å finne flere tredobbel med samme teknikk."
De kan også ha kastet litt lys over det endelige parsec-problemet.
Det endelige Parsec-problemet
Det siste parsec-problemet er sentralt for vår forståelse av binære sorte hullssammenslåinger. Det er et teoretisk problem som sier at når to sorte hull nærmer seg hverandre, hindrer deres overdreven orbital energi dem fra å slå seg sammen. De kan komme til i løpet av noen få lysår, og deretter fusjonerer prosessen.
Når to sorte hull til å begynne med nærmer seg hverandre, fører deres hyperbolske baner dem rett forbi hverandre. Over tid, mens de to hullene samhandler med stjerner i deres nærhet, slynger de stjernene gravitasjonsmessig, og overfører noe av deres orbitalenergi til en stjerne hver gang de gjør det. Utslippet av gravitasjonsbølger reduserer også de sorte hullenes energi.
Etter hvert kaster de to sorte hullene nok orbitalenergi til å bremse og nærme seg hverandre nærmere, og komme til i løpet av bare noen få parsecs fra hverandre. Problemet er, når de stenger avstanden, blir mer og mer materie kastet ut fra deres nærhet via slynge-shotting. Det betyr at det ikke er mer spørsmål for de sorte hullene å samhandle med og kaste mer orbital energi. På det tidspunktet går fusjonsprosessen fast. Eller det skal.
Likevel vet astrofysikere at sorte hull smelter sammen fordi de har vært vitne til de kraftige gravitasjonsbølgene. Faktisk oppdager LIGO (Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory) en fusjon av svart hull omtrent en gang i uken. Hvordan de fusjonerer med hverandre på slutten kalles det endelige parsec-problemet.
Teamet bak denne studien tror at de kan ha et svar. De tror at et tredje svart hull, som de har observert i dette systemet, kan gi det løftet som trengs for å få to hull til å slå seg sammen. Når et par svarte hull i et trinsystem nærmer seg hverandre, kunne det tredje hullet påvirke dem til å lukke den endelige parsec og fusjonere.
I følge datasimuleringer vil omtrent 16% av par supermassive sorte hull i kolliderende galakser ha interaksert med et tredje supermassivt svart hull før de smelter sammen. Disse sammenslåingene ville produsere gravitasjonsbølger, men problemet er at disse bølgene ville være for lavfrekvente til at LIGO eller VIRGO-observatoriet kan oppdage.
For å oppdage disse kan forskere måtte stole på fremtidige observatorier som LISA, ESA / NASAs laserinterferometer Space Antenna. LISA vil observere gravitasjonsbølger med lavere frekvens enn LIGO eller VIRGO og er bedre utstyrt for å finne supermassive sorte hull som fusjonerer.
Oppgaven som presenterer disse resultatene, heter tittelen "En trippel AGN i en midtinfrarød valgt sen fase Galaxy fusjon."
Mer:
- Pressemelding: Fant: Tre svarte hull på kollisjonskurs
- Research Paper: A Triple AGN in a Mid-Infrared Selected Late Stage Galaxy Fusion
- Wikipedia: Endelig Parsec-problem
- LISA: Laserinterferometer Space Antenna
