En forskare från Clemson University har gått samman med ett internationellt team av astronomer för att identifiera periodiska gammastrålning från 11 aktiva galaxer, banar väg för framtida studier av okonventionella galaxer som kan hysa två supermassiva svarta hål i sina centrum.

Bland astronomer, det har länge varit väletablerat att de flesta galaxer har ett svart hål i mitten. Men galaxer som är värd för ett par svarta hål har förblivit teoretiska.

Resultaten av lagets forskning dök upp i The Astrophysical Journal den 19 juni, 2020 i en artikel med titeln "Systematisk sökning efter gammastrålningsperiodicitet i aktiva galaktiska kärnor detekterade av Fermi Large Area Telescope."

"I allmänhet, supermassiva svarta hål kännetecknas av massor av mer än en miljon massor av vår sols, sa Pablo Peñil, huvudförfattare till studien och en Ph.D. student vid Universidad Complutense de Madrid i Spanien. "Några av dessa supermassiva svarta hål, kända som aktiva galaktiska kärnor (AGN) har visat sig accelerera partiklar till nära ljusets hastighet i kollimerade strålar som kallas jets. Emissionen från dessa strålar detekteras genom hela det elektromagnetiska spektrumet, men det mesta av deras energi frigörs i form av gammastrålar."

Gammastrålar, som är den mest extrema formen av ljus, upptäcks av Large Area Telescope ombord på NASA:s Fermi Gamma-ray Space Telescope. AGN kännetecknas av abrupta och oförutsägbara variationer i ljusstyrka.

"Att identifiera regelbundna mönster i deras gammastrålning är som att titta på det stormiga havet och leta efter den lilla regelbundna uppsättningen vågor som orsakas av, säga, passage av en liten båt, " sa Peñil. "Det blir väldigt utmanande väldigt snabbt."

Teamet åstadkom det första svåra steget att identifiera ett stort antal galaxer som sänder ut periodiskt över år och försöker ta itu med frågan om vad som producerar det periodiska beteendet i dessa AGN. Flera av de potentiella förklaringarna är fascinerande.

"Nästa steg blir att förbereda observationskampanjer med andra teleskop för att noggrant följa upp dessa galaxer och förhoppningsvis reda ut orsakerna bakom dessa övertygande observationer, " sa medförfattaren Marco Ajello, en docent vid College of Sciences institution för fysik och astronomi vid Clemson University. "Vi har några möjligheter i åtanke - från fyreffekter som produceras av strålarna till moduleringar i materiaflödet till det svarta hålet - men en mycket intressant lösning skulle vara att periodicitet produceras av ett par supermassiva svarta hål som roterar runt varandra . Att förstå förhållandet mellan dessa svarta hål och deras miljö kommer att vara avgörande för en fullständig bild av galaxbildningen."

Tack vare ett decennium av Fermi-LAT-observationer, teamet kunde identifiera upprepningen av gammastrålningssignaler under cykler på några år. I genomsnitt, dessa utsläpp upprepas ungefär vartannat år.

"Vår studie representerar det mest kompletta arbetet hittills om sökandet efter periodicitet i gammastrålar, en studie som kommer att vara avgörande för att få insikter om ursprunget till detta märkliga beteende, " sa medförfattaren Alberto Domínguez, Peñils Ph.D. handledare i Madrid och även tidigare postdoktor i Ajellos grupp på Clemson. "Vi har använt nio år av kontinuerliga LAT-observationer i hela himlen. Bland de mer än två tusen AGN som analyserats, bara ett dussintal sticker ut för detta spännande cykliska utsläpp."

Att utöka det begränsade urvalet av periodiska utsändare utgör ett viktigt steg framåt för att förstå de underliggande fysiska processerna i dessa galaxer.

"Tidigare var bara två blazarer kända för att visa periodiska förändringar i deras gammastrålningsljusstyrka. Tack vare vår studie, vi kan med säkerhet säga att detta beteende finns i 11 andra källor, sa medförfattaren Sara Buson, professor vid universitetet i Würzburg i Tyskland. "Dessutom, vår studie fann 13 andra galaxer med inslag av cyklisk emission. Men för att med säkerhet bekräfta detta, vi måste vänta på att Fermi-LAT ska samla in ännu mer data."