Har supermassiva svarta hål vänner? Galaxbildningens natur tyder på att svaret är ja, och faktiskt, par supermassiva svarta hål borde vara vanliga i universum.

Jag är astrofysiker och är intresserad av ett brett spektrum av teoretiska problem inom astrofysik, från bildandet av de allra första galaxerna till gravitationssamverkan mellan svarta hål, stjärnor och till och med planeter. Svarta hål är spännande system, och supermassiva svarta hål och de täta stjärnmiljöerna som omger dem representerar en av de mest extrema platserna i vårt universum.

Det supermassiva svarta hålet som lurar i mitten av vår galax, kallas Sgr A*, har en massa på cirka 4 miljoner gånger vår sols massa. Ett svart hål är en plats i rymden där gravitationen är så stark att varken partiklar eller ljus kan fly från den. Runt Sgr A* finns en tät stjärnhop. Exakta mätningar av dessa stjärnors banor gjorde det möjligt för astronomer att bekräfta existensen av detta supermassiva svarta hål och mäta dess massa. I mer än 20 år, forskare har övervakat dessa stjärnors banor runt det supermassiva svarta hålet. Baserat på vad vi har sett, mina kollegor och jag visar att om det finns en vän där, det kan vara ett andra svart hål i närheten som är minst 100, 000 gånger solens massa.

Supermassiva svarta hål och deras vänner

Nästan varje galax, inklusive vår Vintergatan, har ett supermassivt svart hål i hjärtat, med massor av miljoner till miljarder gånger solens massa. Astronomer studerar fortfarande varför galaxernas hjärta ofta är värd för ett supermassivt svart hål. En populär idé kopplar till möjligheten att supermassiva hål har vänner.

För att förstå denna idé, vi måste gå tillbaka till när universum var cirka 100 miljoner år gammalt, till eran av de allra första galaxerna. De var mycket mindre än dagens galaxer, ca 10, 000 eller fler gånger mindre massiv än Vintergatan. Inom dessa tidiga galaxer skapade de allra första stjärnorna som dog svarta hål, av omkring tio till tusen solens massa. Dessa svarta hål sjönk till tyngdpunkten, hjärtat av deras värdgalax. Eftersom galaxer utvecklas genom att smälta samman och kollidera med varandra, kollisioner mellan galaxer kommer att resultera i supermassiva svarta hålspar – nyckeldelen i den här historien. De svarta hålen kolliderar sedan och växer också i storlek. Ett svart hål som är mer än en miljon gånger vår sons massa anses vara supermassivt.

Om det supermassiva svarta hålet verkligen har en vän som kretsar runt sig i nära omloppsbana, centrum av galaxen är låst i en komplex dans. Partnernas gravitationella bogserbåtar kommer också att utöva sin egen dragning på de närliggande stjärnorna som stör deras banor. De två supermassiva svarta hålen kretsar runt varandra, och på samma gång, var och en utövar sin egen dragning på stjärnorna runt sig.

Gravitationskrafterna från de svarta hålen drar på dessa stjärnor och får dem att ändra sin bana; med andra ord, efter ett varv runt det supermassiva svarta hålsparet, en stjärna kommer inte att gå tillbaka exakt till den punkt där den började.

Genom att använda vår förståelse av gravitationsinteraktionen mellan det möjliga supermassiva svarta hålsparet och de omgivande stjärnorna, astronomer kan förutsäga vad som kommer att hända med stjärnor. Astrofysiker som mina kollegor och jag kan jämföra våra förutsägelser med observationer, och sedan kan bestämma stjärnors möjliga banor och ta reda på om det supermassiva svarta hålet har en följeslagare som utövar gravitationsinflytande.

Med hjälp av en väl studerad stjärna, kallas S0-2, som kretsar runt det supermassiva svarta hålet som ligger i mitten av galaxen vart 16:e år, vi kan redan utesluta tanken att det finns ett andra supermassivt svart hål med massa över 100, 000 gånger solens massa och längre än cirka 200 gånger avståndet mellan solen och jorden. Om det fanns en sådan följeslagare, då skulle jag och mina kollegor ha upptäckt dess effekter på SO-2s omloppsbana.

Men det betyder inte att ett mindre svart hål fortfarande inte kan gömma sig där. Ett sådant objekt kanske inte ändrar SO-2s omloppsbana på ett sätt som vi enkelt kan mäta.

Fysiken i supermassiva svarta hål

Supermassiva svarta hål har fått mycket uppmärksamhet på sistone. Särskilt, den senaste bilden av en sådan jätte i mitten av galaxen M87 öppnade ett nytt fönster för att förstå fysiken bakom svarta hål.

Närheten till Vintergatans galaktiska centrum - bara 24, 000 ljusår bort – ger ett unikt laboratorium för att ta itu med frågor i den grundläggande fysiken för supermassiva svarta hål. Till exempel, astrofysiker som jag skulle vilja förstå deras inverkan på galaxernas centrala regioner och deras roll i galaxbildning och evolution. Detekteringen av ett par supermassiva svarta hål i det galaktiska centrumet skulle indikera att Vintergatan slogs samman med ett annat, möjligen liten, galaxen någon gång i det förflutna.

Det är inte allt som övervakning av de omgivande stjärnorna kan berätta för oss. Mätningar av stjärnan S0-2 gjorde det möjligt för forskare att utföra ett unikt test av Einsteins allmänna relativitetsteori. I maj 2018, S0-2 zoomade förbi det supermassiva svarta hålet på ett avstånd av endast cirka 130 gånger jordens avstånd från solen. Enligt Einsteins teori, våglängden för ljuset som sänds ut av stjärnan bör sträcka sig när den klättrar från den djupa gravitationsbrunnen i det supermassiva svarta hålet.

Den sträckande våglängden som Einstein förutspådde – som får stjärnan att se rödare ut – upptäcktes och bevisar att den allmänna relativitetsteorin exakt beskriver fysiken i denna extrema gravitationszon. Jag väntar med spänning på det näst närmaste tillvägagångssättet av S0-2, som kommer att inträffa om cirka 16 år, eftersom astrofysiker som jag själv kommer att kunna testa fler av Einsteins förutsägelser om allmän relativitet, inklusive förändringen av orienteringen av stjärnornas långsträckta bana. Men om det supermassiva svarta hålet har en partner, detta kan förändra det förväntade resultatet.

Till sist, om det finns två massiva svarta hål som kretsar kring varandra i det galaktiska centrumet, som mitt team föreslår är möjligt, de kommer att avge gravitationsvågor. Sedan 2015, LIGO-Virgo-observatorierna har detekterat gravitationsvågstrålning från sammanslagna svarta hål med stjärnmassa och neutronstjärnor. Dessa banbrytande upptäckter har öppnat ett nytt sätt för forskare att känna av universum.

Alla vågor som sänds ut av vårt hypotetiska svarta hålspar kommer att ha låga frekvenser, för låg för att LIGO-Virgo-detektorerna ska känna av. Men en planerad rymdbaserad detektor känd som LISA kan kanske upptäcka dessa vågor, vilket kommer att hjälpa astrofysiker att ta reda på om vårt galaktiska mitt svarta hål är ensamt eller har en partner.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.