Prawie każda masywna galaktyka ma w swoim centrum supermasywną czarną dziurę. Kiedy dwie galaktyki łączą się, ich czarne dziury mogą utworzyć parę podwójną, co oznacza, że poruszają się po powiązanej orbicie. Przypuszcza się, że przeznaczeniem tych plików binarnych jest ostatecznie połączenie się, ale nigdy tego nie zaobserwowano [1]. Pytanie, czy takie zdarzenie jest możliwe, jest tematem dyskusji wśród astronomów od dziesięcioleci. W niedawno opublikowanym artykule w The Astrophysical Journal zespół astronomów przedstawił nowe spojrzenie na tę kwestię.
Zespół wykorzystał dane z teleskopu Gemini North na Hawajach, będącego połową Międzynarodowego Obserwatorium Gemini obsługiwanego przez NOIRLab NSF, finansowanego przez amerykańską National Science Foundation, do analizy układu podwójnego supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w galaktyce eliptycznej B2 0402 +379. Jest to jedyny układ podwójny supermasywnych czarnych dziur, jaki kiedykolwiek rozpatrzono z wystarczającą szczegółowością, aby móc zobaczyć oba obiekty osobno [2]i jest rekordzistą pod względem najmniejszej odległości, jaką kiedykolwiek zmierzono bezpośrednio – zaledwie 24 lata świetlne [3]. Chociaż tak bliska separacja zapowiada potężną fuzję, dalsze badania wykazały, że para pozostawała w tej odległości od ponad trzech miliardów lat, co nasuwa pytanie; Co się trzyma?
Aby lepiej zrozumieć dynamikę tego układu i jego zatrzymaną fuzję, zespół sięgnął do danych archiwalnych z spektrografu wieloobiektowego Gemini North (GMOS), które pozwoliły im określić prędkość gwiazd w pobliżu czarnych dziur. „Doskonała czułość GMOS pozwoliła nam na mapowanie rosnących prędkości gwiazd w miarę zbliżania się do centrum galaktyki” – powiedział Roger Romani, profesor fizyki na Uniwersytecie Stanforda i współautor artykułu. „Dzięki temu mogliśmy wywnioskować całkowitą masę znajdujących się tam czarnych dziur”.
Zespół szacuje masę układu podwójnego na aż 28 miliardów mas Słońca, co kwalifikuje tę parę jako najcięższą podwójną czarną dziurę, jaką kiedykolwiek zmierzono. Pomiar ten nie tylko dostarcza cennego kontekstu powstaniu układu podwójnego i historii galaktyki macierzystej, ale wspiera długoletnią teorię, że masa supermasywnej podwójnej czarnej dziury odgrywa kluczową rolę w opóźnianiu potencjalnego połączenia [4].
„Archiwum danych obsługujące Międzynarodowe Obserwatorium Gemini to kopalnia złota niewykorzystanych odkryć naukowych” – mówi Martin Still, dyrektor programowy NSF w Międzynarodowym Obserwatorium Gemini. „Pomiary masy tej ekstremalnie supermasywnej podwójnej czarnej dziury są inspirującym przykładem potencjalnego wpływu nowych badań eksplorujących to bogate archiwum”.
Zrozumienie, w jaki sposób powstał ten układ podwójny, może pomóc przewidzieć, czy i kiedy się połączy, a kilka wskazówek wskazuje na to, że para powstała w wyniku łączenia się wielu galaktyk. Po pierwsze, B2 0402+379 jest „gromadą kopalną”, co oznacza, że jest wynikiem połączenia gwiazd i gazu całej gromady galaktyk w jedną masywną galaktykę. Ponadto obecność dwóch supermasywnych czarnych dziur w połączeniu z ich dużą łączną masą sugeruje, że powstały one w wyniku połączenia wielu mniejszych czarnych dziur z wielu galaktyk.
Po połączeniu galaktyk supermasywne czarne dziury nie zderzają się czołowo. Zamiast tego zaczynają strzelać obok siebie, gdy osiadają na ograniczonej orbicie. Przy każdym ich przejściu energia jest przenoszona z czarnych dziur do otaczających je gwiazd. W miarę jak tracą energię, para jest przyciągana coraz bliżej, aż dzielą ich zaledwie lata świetlne, gdzie przejmuje promieniowanie grawitacyjne i łączą się. Proces ten zaobserwowano bezpośrednio w parach czarnych dziur o masach gwiazdowych – pierwszy zarejestrowany przypadek miał miejsce w 2015 roku poprzez wykrycie fal grawitacyjnych – ale nigdy w układzie podwójnym typu supermasywnego.
Mając nową wiedzę na temat niezwykle dużej masy układu, zespół doszedł do wniosku, że do spowolnienia orbity układu podwójnego na tyle, aby zbliżyć je tak blisko, potrzebna byłaby wyjątkowo duża liczba gwiazd. Wydaje się, że w trakcie tego procesu czarne dziury wyrzuciły prawie całą materię w swoim sąsiedztwie, pozostawiając jądro galaktyki pozbawione gwiazd i gazu. Ponieważ nie ma już materiału, który mógłby jeszcze bardziej spowolnić orbitę pary, ich połączenie utknęło w końcowym stadium.
„Zwykle wydaje się, że galaktyki z jaśniejszymi parami czarnych dziur mają wystarczającą ilość gwiazd i masy, aby szybko je ze sobą połączyć” – powiedział Romani. „Ponieważ ta para jest tak ciężka, do wykonania swojego zadania wymagało dużej ilości gwiazd i gazu. Jednak układ podwójny przeszukał galaktykę centralną z takiej materii, pozostawiając ją zablokowaną i dostępną dla naszych badań”.
Nie wiadomo jeszcze, czy para pokona stagnację i ostatecznie połączy się w skali czasu obejmującej miliony lat, czy też pozostanie na zawsze w orbitalnej otchłani. Jeśli się połączą, powstałe fale grawitacyjne będą sto milionów razy silniejsze niż te wytwarzane w wyniku łączenia się czarnych dziur o masach gwiazdowych. Możliwe, że para mogłaby pokonać tę ostateczną odległość poprzez kolejne połączenie galaktyk, co wstrzyknęłoby do układu dodatkowy materiał lub potencjalnie trzecią czarną dziurę, aby spowolnić orbitę pary na tyle, aby doszło do połączenia. Jednakże, biorąc pod uwagę status B2 0402+379 jako gromady kopalnej, kolejne połączenie galaktyczne jest mało prawdopodobne.
„Z niecierpliwością czekamy na dalsze badania rdzenia B2 0402+379, podczas których sprawdzimy, ile gazu jest w nim obecnego” – mówi Tirth Surti, student Uniwersytetu Stanforda i główny autor artykułu. „To powinno dać nam lepszy wgląd w to, czy supermasywne czarne dziury będą mogły ostatecznie się połączyć, czy też pozostaną osierocone jako układ podwójny”.
Notatki
[1] Chociaż istnieją dowody na to, że supermasywne czarne dziury zbliżają się do siebie w odległości kilku lat świetlnych, wydaje się, że żadna z nich nie była w stanie pokonać tej ostatecznej odległości. Pytanie, czy takie zdarzenie jest możliwe, znane jest jako problem końcowego parseka i od dziesięcioleci jest tematem dyskusji wśród astronomów.
[2] Poprzednie obserwacje dotyczyły galaktyk zawierających dwie supermasywne czarne dziury, ale w tych przypadkach były one oddalone od siebie o tysiące lat świetlnych – zbyt daleko, aby znajdować się na powiązanej orbicie, jak układ podwójny znaleziony w B2 0402+379.
[3] Istnieją inne źródła zasilane przez czarne dziury, w których możliwe są mniejsze odległości, chociaż wywnioskowano je na podstawie obserwacji pośrednich i dlatego najlepiej można je sklasyfikować jako potencjalne układy podwójne.
[4] Teorię tę po raz pierwszy wysunęli w 1980 roku Begelman i in. i od dawna argumentowano, że ma to miejsce na podstawie dziesięcioleci obserwacji centrów galaktyk.