Supermassiva svarta hål är de största svarta hålen, med massor som kan överstiga en miljard solar. Just i vår, den första bilden någonsin av det supermassiva svarta hålet i centrum av Messier 87-galaxen togs, och forskare såg nyligen det största supermassiva svarta hålet som någonsin setts. Trots dessa banbrytande ansträngningar, att ta reda på hur dessa svarta hål driver en galax form och struktur fortsätter att vara en utmaning eftersom de flesta av dem är för långt borta för att nuvarande teleskop ska kunna lösas exakt.

En studie publicerad i Natur astronomi beskriver ett nytt sätt att "väga" supermassiva svarta hål i galaxernas centrum genom att använda avstånd mellan närliggande galaxer som en proxy. Forskningen var ett globalt samarbete som involverade forskare vid institutioner i Storbritannien, Italien, Tyskland, Chile, och USA, inklusive Penn-fakulteten Mariangela Bernardi och Ravi Sheth.

Att få en exakt uppskattning av ett supermassiva svarta håls massa görs vanligtvis genom att mäta hastigheten på damm och gas som virvlar runt det. Detta kräver extremt känsliga teleskop som använder en komplex analys, och kan bara göras för svarta hål som är tillräckligt stora för att lösas och som är relativt nära jorden. Dock, om denna massa korrelerar med andra egenskaper hos värdgalaxen, sådana som kan mätas även när det svarta hålet är mindre eller längre bort, man kan använda dessa andra egenskaper som "proxies" för massa.

Dock, förklarar Bernardi, "Vi insåg att det finns en förspänning i det närliggande provet som användes för att kalibrera massorna. De objekt som vi för närvarande kan mäta massor för verkar inte vara typiska. Vårt arbete antydde att supermassiva svarta hål är, i genomsnitt, inte så massiv som tidigare trott."

För att verifiera denna skillnad i massa, forskarna utarbetade ett nytt och mycket annorlunda sätt att uppskatta svarta håls massor. De använde det faktum att medan ett svart hål är omgivet av sin värdgalax, själva galaxen är omgiven av en ännu större "halo" gjord av mörk materia. Galaxer som är omgivna av mer massiva glorier är kända för att samlas med andra stora, massiva galaxer. Eftersom mer massiva svarta hål finns i mer massiva galaxer som har mer massiva glorier, klustringsstyrkan "väger" faktiskt den mörka materiens halos och, genom ombud, massorna av de svarta hålen i deras centra.

Denna nya mätning tyder också på att supermassiva svarta hål är mindre massiva än man tidigare trott, och kan förklara varför vissa pågående experiment inte har gett förväntade resultat. Som ett exempel, pulsarer, rester av exploderade stjärnor, lysa som mycket snabbt snurrande fyrar som snurrar hundratals gånger i sekunden. Ljus från pulsarer sänds ut på otroligt kort tid, regelbundna intervall när strålen sveper förbi jorden om och om igen. Forskare letar för närvarande efter gravitationsvågor orsakade av kollisionen mellan två supermassiva svarta hål, vilket borde få dessa strålar att guppa mot och bort från jorden när vågen rusar förbi och påverka timingen av pulserna.

Eftersom de förväntade förändringarna ännu inte har setts, säger Sheth, "Folk började oroa sig för att gravitationen kanske är konstig, eller så förstår vi kanske inte helt fysiken i de sammanslagningar som gör gravitationsvågorna. Men om de sanna svarta hålsmassorna är mindre än man tidigare trott, då skulle de förutsagda gravitationsvågorna vara svagare, gör förändringarna i pulsartiming svårare att upptäcka."

Under de kommande 10 åren, nya teleskop förväntas kunna erhålla mer exakta massmätningar för svarta hål och ge möjlighet för forskare att testa sin nya metod mot större datamängder. Faciliteter som Extremely Large Telescope, en 39-meter planerad att stå klar 2025, kan tillåta forskare att mäta mindre och mer avlägsna svarta hål och deras värdgalaxer direkt.

"Dessa fynd har betydande implikationer för vår förståelse av evolutionen och tillväxten av supermassiva svarta hål, " säger huvudförfattaren Francesco Shankar. Bernardi tillägger att detta arbete också kommer att göra det möjligt för forskare att ytterligare studera sambandet mellan supermassiv tillväxt av svarta hål och utvecklingen av galaxer.