Tre år sedan, ett team som leds av University of Utah upptäckte att en ultrakompakt dvärggalax innehöll ett supermassivt svart hål, då den minsta kända galaxen som hyser ett så gigantiskt svart hål. Fynden antydde att dvärgarna sannolikt var små rester av större galaxer som berövades sina yttre lager efter att ha kolliderat med andra, större galaxer.

Nu, samma grupp av U-astronomer och kollegor har hittat ytterligare två ultrakompakta dvärggalaxer med supermassiva svarta hål. Tillsammans, de tre exemplen tyder på att svarta hål lurar i mitten av de flesta av dessa föremål, potentiellt fördubbla antalet supermassiva svarta hål som är kända i universum. De svarta hålen utgör en hög andel av de kompakta galaxernas totala massa, stödjer teorin att dvärgarna är rester av massiva galaxer som slets isär av större galaxer.

"Vi förstår fortfarande inte helt hur galaxer bildas och utvecklas över tiden. Dessa objekt kan berätta för oss hur galaxer smälter samman och kolliderar, säger Chris Ahn, doktorand vid institutionen för fysik &astronomi, och huvudförfattare till den internationella studien som publicerades i måndags The Astrophysical Journal . "Kanske är en bråkdel av mitten av alla galaxer faktiskt dessa kompakta galaxer utan sina yttre delar."

Mätning av galaxer

Författarna mätte två ultrakompakta dvärggalaxer, heter VUCD3 och M59cO, som ligger långt bortom spiralarmarna i vårt Vintergatan, kretsar massiva galaxer i galaxklustret i Jungfrun. De upptäckte ett supermassivt svart hål i båda galaxerna; VUCD3:s svarta hål har en massa som motsvarar 4,4 miljoner solar, utgör cirka 13 procent av galaxens totala massa, och M59cO:s svarta hål har en massa på 5,8 miljoner solar, utgör cirka 18 procent av dess totala massa.

Som jämförelse, det monstruösa svarta hålet i mitten av Vintergatan har en massa på 4 miljoner solar, men utgör mindre än 0,01 procent av galaxens totala massa.

"Det är ganska fantastiskt när man verkligen tänker på det. Dessa ultrakompakta dvärgar är runt 0,1 procent av Vintergatans storlek, men de är värd för supermassiva svarta hål som är större än det svarta hålet i mitten av vår egen galax, " förundras Ahn.

För att beräkna den ultrakompakta dvärggalaxens massa, astronomerna mätte stjärnornas rörelse med hjälp av Gemini North-teleskopet som ligger på vulkanen Mauna Kea på Hawaii. Astronomerna måste korrigera för de snedvridningar som orsakas av jordens atmosfär. De sköt en laser mot himlen för att göra en falsk liten stjärna, och flyttade runt en spegel hundratals gånger i sekunden för att ångra distorsionen. De tillämpade sedan tekniken på de ultrakompakta dvärggalaxerna, som är så små att korrigeringarna är nödvändiga för att mäta rörelserna inuti föremålet. Tekniken, känd som adaptiv optik, sätter fokus på den en gång suddiga galaxen.

De analyserade också bilder från rymdteleskopet Hubble för att mäta fördelningen av stjärnorna i varje galax, och skapade en datorsimulering som bäst passade deras observationer.

De fann att stjärnornas rörelse i mitten av galaxerna rörde sig mycket snabbare än de på utsidan, en klassisk signatur av ett svart hål. VUCD3 och M59cO är de andra och tredje ultrakompakta dvärggalaxerna som har upptäckts innehålla ett supermassivt svart hål, vilket tyder på att alla sådana dvärgar kan hysa liknande massiva ljussugande föremål.

Ultrakompakta dvärggalaxmysterier

Astronomer upptäckte ultrakompakta dvärggalaxer i slutet av 1990-talet. Objekten består av hundratals miljoner stjärnor tätt packade tillsammans på i genomsnitt 100 ljusår i diameter. Forskare tog mätningar för att se vad som hände inuti galaxerna, och något stämde inte; de ultrakompakta dvärggalaxerna hade mer massa än deras stjärnor ensamma kunde svara för. Seniorförfattaren Anil Seth, biträdande professor vid Institutionen för fysik och astronomi vid U, ledde 2014 års studie som hittade den första ultrakompakta dvärggalaxen med ett supermassivt svart hål. De två U-ledda studierna gör ett starkt argument för att supermassiva svarta hål i mitten av galaxerna är ansvariga för den extra massan.

En alternativ teori om dvärgarna är att de bara är riktigt massiva stjärnhopar – grupper av hundra tusen stjärnor som föds samtidigt. Vintergatans största stjärnkluster är tre miljoner stjärnor, och ultrakompakta dvärggalaxer är 10 till 100 gånger större än så. "Frågan var, Är det för att de bildar större stjärnhopar med samma process? Eller är de olika på något sätt? Detta arbete visar att de är olika, " Fortsätter Seth.

"Det är uppenbart i efterhand, eftersom mitten av en vanlig galax nästan ser exakt ut som dessa föremål, men det var inte vad de flesta trodde att de var. Jag var inte övertygad om att vi skulle hitta ett svart hål när jag tog observationerna, " säger Seth. "Detta är ett coolt exempel på vetenskaplig upptäckt och hur snabbt du kan omorientera vår förståelse av universum."

Svarta hål och bildandet av galaxer

Svarta hål är områden med så stark tyngdkraft att inte ens ljus kan komma undan. De bildas när stjärnor kollapsar, lämnar efter sig ett svart hål med tät massa som utövar gravitationskraft på föremålen runt det. Supermassiva svarta hål har en massa på mer än 1 miljon solar, och tros vara i centrum för alla stora galaxer.

En förklaring till det supermassiva svarta hålet inuti de ultrakompakta dvärggalaxerna är att galaxerna en gång i tiden bestod av miljarder stjärnor. Författarna tror att dvärgarna "uppslukades" och slets isär av gravitationen från mycket större galaxer. Det ultrakompakta dvärgsvarta hålet är en rest av dess tidigare massiva storlek. Fynden förändrar det sätt som astronomer kan sätta ihop hur galaxer bildas och utvecklas över tiden.

"Vi vet att galaxer smälter samman och kombineras hela tiden - det är så galaxer utvecklas. Vår Vintergatan äter upp galaxer medan vi pratar, " säger Seth. "Vår allmänna bild av hur galaxer bildas är att små galaxer går samman och bildar stora galaxer. Men vi har en riktigt ofullständig bild av det. De ultrakompakta dvärggalaxerna ger oss en längre tidslinje för att kunna titta på vad som har hänt tidigare."