Astronomer har identifierat en stötfångare av dubbla supermassiva svarta hål i galaxernas centrum. Denna upptäckt kan hjälpa astronomer att bättre förstå hur gigantiska svarta hål växer och hur de kan producera de starkaste gravitationsvågsignalerna i universum.

De nya bevisen avslöjar fem par supermassiva svarta hål, var och en innehåller miljontals gånger solens massa. Dessa svarta hålspar bildades när två galaxer kolliderade och smälte samman med varandra, tvingar deras supermassiva svarta hål nära varandra.

De svarta hålsparen avslöjades genom att kombinera data från en svit av olika observatorier inklusive NASA:s Chandra X-ray Observatory, Wide-Field Infrared Sky Explorer Survey (WISE), och det markbaserade Large Binocular Telescope i Arizona.

"Astronomer hittar enstaka supermassiva svarta hål över hela universum, " sa Shobita Satyapal, från George Mason University i Fairfax, Virginia, som ledde en av två tidningar som beskrev dessa resultat. "Men även om vi har förutspått att de växer snabbt när de interagerar, växande dubbla supermassiva svarta hål har varit svåra att hitta."

Innan denna studie var färre än tio bekräftade par av växande svarta hål kända från röntgenstudier, baseras mest på slumpmässiga upptäckter. För att göra en systematisk sökning, teamet var tvungen att noggrant sålla igenom data från teleskop som upptäcker olika våglängder av ljus.

Börjar med Galaxy Zoo-projektet, forskare använde optisk data från Sloan Digital Sky Survey (SDSS) för att identifiera galaxer där det visade sig att en sammanslagning mellan två mindre galaxer var på gång. Från denna uppsättning, de valde ut objekt där separationen mellan de två galaxernas centrum i SDSS-data är mindre än 30, 000 ljusår, och de infraröda färgerna från WISE-data matchar de som förutspås för ett snabbt växande supermassivt svart hål.

Sju sammanslagna system som innehåller minst ett supermassivt svart hål hittades med denna teknik. Eftersom stark röntgenstrålning är ett kännetecken för växande supermassiva svarta hål, Satyapal och hennes kollegor observerade sedan dessa system med Chandra. Nära åtskilda par av röntgenkällor hittades i fem system, ger övertygande bevis för att de innehåller två växande (eller matande) supermassiva svarta hål.

Både röntgendata från Chandra och de infraröda observationerna tyder på att de supermassiva svarta hålen är begravda i stora mängder damm och gas.

"Vårt arbete visar att kombinationen av det infraröda urvalet med röntgenuppföljning är ett mycket effektivt sätt att hitta dessa svarta hålspar, sa Sara Ellison från University of Victoria i Kanada, som ledde den andra tidningen som beskrev dessa resultat. "Röntgenstrålar och infraröd strålning kan penetrera de mörka molnen av gas och damm som omger dessa svarta hålspar, och Chandras skarpa vision behövs för att skilja dem åt”.

Tidningen ledd av Ellison använde ytterligare optisk data från kartläggningen av närliggande galaxer vid Apache Point Observatory (MaNGA) för att lokalisera ett av de nya svarta hålsparen. En medlem av detta svarta hålspar är särskilt kraftfull, har den högsta röntgenljusstyrkan i ett par svarta hål som observerats av Chandra hittills.

Detta arbete har implikationer för gravitationsvågastrofysikens växande fält. Medan forskare som använder Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) och VIRGO interferometer har upptäckt signalerna från sammanslagna svarta hål, dessa svarta hål har varit av den mindre sorten och vägt mellan cirka åtta och 36 gånger solens massa.

De sammanslagna svarta hålen i galaxernas centrum är mycket större. När dessa supermassiva svarta hål drar sig ännu närmare varandra, de borde börja producera gravitationsvågor. En eventuell sammanslagning av de dubbla supermassiva svarta hålen om hundratals miljoner år skulle skapa ett ännu större svart hål. Denna process skulle producera en häpnadsväckande mängd energi när en del av massan omvandlas till gravitationsvågor.

"Det är viktigt att förstå hur vanliga supermassiva svarta hålspar är, för att hjälpa till att förutsäga signalerna för gravitationsvågobservatorier, " sa Satyapal. "Med experiment som redan är på plats och framtida som kommer online, det här är en spännande tid att forska om sammanslagna svarta hål. Vi är i de tidiga stadierna av en ny era när det gäller att utforska universum."

LIGO/VIRGO kan inte detektera gravitationsvågor från supermassiva svarta hålspar. Istället, pulsar timing arrays som North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) utför för närvarande denna sökning. I framtiden, projektet Laser Interferometer Space Antenna (LISA) kan också söka efter dessa gravitationsvågor.

Fyra av kandidaterna med dubbla svarta hål rapporterades i en tidning av Satyapal et al. som nyligen accepterades för publicering i The Astrofysisk tidskrift , och visas online. Den andra dubbla svarta hålskandidaten rapporterades i en tidning av Ellison et al., som publicerades i septembernumret 2017 av Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society och visas online.