Astronomer har upptäckt ett par avlägset titaniska svarta hål på väg mot en kollision.

Varje svart håls massa är mer än 800 miljoner gånger vår sols massa. När de två gradvis närmar sig varandra i en dödsspiral, de kommer att börja skicka gravitationsvågor som skvalpar genom rumtiden. Dessa kosmiska krusningar kommer att ansluta sig till det ännu oupptäckta bakgrundsljudet från gravitationsvågor från andra supermassiva svarta hål.

Redan före den ödesbestämda kollisionen, gravitationsvågorna som utgår från det supermassiva svarta hålsparet kommer att dvärga de som tidigare upptäckts från sammanslagningarna av mycket mindre svarta hål och neutronstjärnor.

"Supermassiva svarta håls binärer producerar de högsta gravitationsvågorna i universum, " säger medupptäckaren Chiara Mingarelli, en associerad forskare vid Flatiron Institutes Center for Computational Astrophysics i New York City. Gravitationsvågor från supermassiva svarta hålspar "är en miljon gånger högre än de som detekteras av LIGO."

Studien leddes av Andy Goulding, en associerad forskare vid Princeton University. Goulding, Mingarelli och medarbetare från Princeton och U.S. Naval Research Laboratory i Washington, D.C., rapportera upptäckten 10 juli in De Astrofysiska tidskriftsbrev .

De två supermassiva svarta hålen är särskilt intressanta eftersom de är cirka 2,5 miljarder ljusår bort från jorden. Eftersom att titta på avlägsna objekt i astronomi är som att se tillbaka i tiden, paret tillhör ett universum som är 2,5 miljarder år yngre än vårt eget. Av en slump, det är ungefär samma tid som astronomerna uppskattar att de svarta hålen kommer att ta för att börja producera kraftfulla gravitationsvågor.

I dagens universum, de svarta hålen sänder redan ut dessa gravitationsvågor, men inte ens med ljusets hastighet når vågorna oss på miljarder år. Duon är fortfarande användbar, fastän. Deras upptäckt kan hjälpa forskare att uppskatta hur många närliggande supermassiva svarta hål som avger gravitationsvågor som vi kunde upptäcka just nu.

Att upptäcka gravitationsvågens bakgrund kommer att hjälpa till att lösa några av de största okända frågorna inom astronomi, som hur ofta galaxer smälter samman och om supermassiva svarta hålspar överhuvudtaget smälter samman eller fastnar i en nästan oändlig vals runt varandra.

"Det är en stor pinsamhet för astronomi att vi inte vet om supermassiva svarta hål smälter samman, " säger studiens medförfattare Jenny Greene, professor i astrofysiska vetenskaper vid Princeton. "För alla inom svarta håls fysik, observationsmässigt är detta ett långvarigt pussel som vi måste lösa."

Supermassiva svarta hål innehåller massa för miljoner eller till och med miljarder solar. Nästan alla galaxer, inklusive Vintergatan, innehåller minst en av giganterna i sin kärna. När galaxer smälter samman, deras supermassiva svarta hål möts och börjar kretsa runt varandra. Över tid, denna omloppsbana skärps när gas och stjärnor passerar mellan de svarta hålen och stjäl energi.

När de supermassiva svarta hålen kommer tillräckligt nära, fastän, denna energistöld nästan slutar. Vissa teoretiska studier tyder på att svarta hål sedan stannar med cirka 1 parsec (ungefär 3,2 ljusår) från varandra. Denna avmattning varar nästan på obestämd tid och är känt som det sista parsec-problemet. I detta scenario, endast mycket sällsynta grupper om tre eller fler supermassiva svarta hål resulterar i sammanslagningar.

Astronomer kan inte bara leta efter avstannade par, för långt innan de svarta hålen är 1 parsek ifrån varandra, de är för nära för att särskiljas som två separata objekt. Dessutom, de producerar inte starka gravitationsvågor förrän de övervinner det sista parsec-hindret och kommer närmare varandra. (Observerade som de var för 2,5 miljarder år sedan, de nyfunna supermassiva svarta hålen visas med cirka 430 parsecs från varandra.)

Om det sista parsec-problemet inte finns, då förväntar sig astronomer att universum är fyllt med larmet av gravitationsvågor från supermassiva svarta hålspar. "Detta brus kallas gravitationsvågsbakgrunden, och det är lite som en kaotisk kör av syrsor som kvittrar på natten, " säger Goulding. "Du kan inte urskilja en cricket från en annan, men volymen på bruset hjälper dig att uppskatta hur många syrsor som finns där ute." (När två supermassiva svarta hål till slut kolliderar och kombineras, de sänder ut ett dånande pip som dvärgar alla andra. En sådan händelse är kort och utomordentligt sällsynt, fastän, så forskare förväntar sig inte att upptäcka en någon gång snart.)

Gravitationsvågorna som genereras av supermassiva svarta hålspar ligger utanför de frekvenser som för närvarande kan observeras av experiment som LIGO och Jungfrun. Istället, gravitationsvågsjägare förlitar sig på uppsättningar av speciella stjärnor som kallas pulsarer som fungerar som metronomer. De snabbt snurrande stjärnorna skickar ut radiovågor i en jämn rytm. Om en passerande gravitationsvåg sträcker ut eller komprimerar utrymmet mellan jorden och pulsaren, rytmen förkastas något.

Att upptäcka gravitationsvågsbakgrunden med en av dessa pulsartimingsmatriser kräver tålamod och massor av övervakade stjärnor. En enda pulsars rytm kan störas med bara några hundra nanosekunder under ett decennium. Ju högre bakgrundsljudet är, ju större tidsavbrott och desto snabbare kommer den första upptäckten att göras.

Goulding, Greene och de andra observationsastronomerna i teamet upptäckte de två titanerna med rymdteleskopet Hubble. Även om supermassiva svarta hål inte är direkt synliga genom ett optiskt teleskop, de är omgivna av ljusa klumpar av lysande stjärnor och varm gas som dras in av den kraftfulla gravitationsdragkraften. För sin tid i historien, galaxen som hyser det nyfunna supermassiva svarta hålsparet "är i princip den mest lysande galaxen i universum, " säger Goulding. Vad mer, galaxens kärna skjuter ut två ovanligt kolossala gasplymer. Efter att forskarna riktade rymdteleskopet Hubble mot galaxen för att avslöja ursprunget till dess spektakulära gasmoln, de upptäckte att systemet inte innehöll ett utan två massiva svarta hål.

Observationsforskarna slog sig sedan ihop med gravitationsvågsfysikerna Mingarelli och Princeton-studenten Kris Pardo för att tolka upptäckten i samband med gravitationsvågens bakgrund. Upptäckten ger en ankarpunkt för att uppskatta hur många supermassiva svarta hålspar som finns inom detekteringsavstånd från jorden. Tidigare uppskattningar förlitade sig på datormodeller av hur ofta galaxer smälter samman, snarare än faktiska observationer av supermassiva svarta hålspar.

Baserat på fynden, Pardo och Mingarelli förutspår att det i ett optimistiskt scenario finns omkring 112 närliggande supermassiva svarta hål som avger gravitationsvågor. Den första upptäckten av gravitationsvågens bakgrund från supermassiva svarta hål bör därför komma inom de närmaste fem åren eller så. Om en sådan upptäckt inte görs, det skulle vara bevis på att det slutliga parsec-problemet kan vara oöverstigligt. Teamet tittar för närvarande på andra galaxer som liknar den som hyser det nyfunna supermassiva svarta hålsparet. Att hitta ytterligare par hjälper dem att finslipa sina förutsägelser ytterligare.