Astronomer kommer inte behöva vänta mycket längre på sin första glimt av en av de största typerna av fackföreningar i kosmos. Ny forskning publicerad 13 november i Natur astronomi förutspår att gravitationsvågor som genereras av sammanslagning av två supermassiva svarta hål kommer att upptäckas inom 10 år. Studien är den första som använder riktiga data, snarare än datorsimuleringar, att förutsäga när en sådan observation kommer att göras.

"Gravitationsvågorna från dessa supermassiva svarta håls binära sammanslagningar är de mest kraftfulla i universum, " säger studiens huvudförfattare Chiara Mingarelli, en forskare vid Center for Computational Astrophysics vid Flatiron Institute i New York City. "De dvärgar absolut de svarta hålssammanslagningarna som upptäckts av LIGO, " eller Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, som först upptäckte gravitationsvågor från kolliderande svarta hål i februari 2016.

Upptäckten av en supermassiv sammanslagning av svarta hål skulle ge nya insikter om hur massiva galaxer och svarta hål utvecklas, säger Mingarelli. En brist på sådan iakttagelse inom den 10-åriga tidsramen, å andra sidan, skulle kräva en omprövning av om och hur supermassiva svarta hål smälter samman, hon säger.

Supermassiva svarta hål lever i hjärtat av stora galaxer, inklusive vår egen Vintergatan, och kan vara miljoner eller till och med miljarder gånger solens massa. För jämförelse, de sammanslagna svarta hålen som hittills upptäckts av gravitationsvågsdetektorer har bara varit några dussin gånger solens massa.

När två galaxer kolliderar och kombineras, deras supermassiva svarta hål driver till mitten av den nyligen förenade galaxen. Forskare förutspår att de supermassiva svarta hålen då kommer att sluta ihop och smälta samman med tiden. Den sammankomsten producerar intensiva gravitationsvågor som krusar genom tyget av rum och tid.

Medan dessa gravitationsvågor är starka, de ligger utanför de våglängder som för närvarande kan observeras av pågående experiment som LIGO och Jungfrun. Den nya jakten på gravitationsvågor som bildas genom att slå samman supermassiva svarta hål kommer istället att utnyttja stjärnor som kallas pulsarer som fungerar som kosmiska metronomer. De snabbt snurrande stjärnorna skickar ut en stadig rytm av radiovågspulser. När passerande gravitationsvågor sträcker sig och komprimerar utrymmet mellan jorden och pulsaren, rytmen ändras något. Dessa förändringar övervakas sedan av pulsar-tittande projekt på jorden.

Tre projekt läser för närvarande tidpunkten för radiovågor som kommer från närliggande pulsarer:Parkes Pulsar Timing Array i Australien, Nordamerikanska Nanohertz-observatoriet för gravitationsvågor och European Pulsar Timing Array. Tillsammans, trion bildar International Pulsar Timing Array.

Mingarelli och kollegor uppskattade hur lång tid dessa projekt kommer att ta för att upptäcka deras första supermassiva svarta hålsfusion. Teamet katalogiserade närliggande galaxer som kan vara värd för par supermassiva svarta hål. Forskarna kombinerade sedan den informationen med en karta över närliggande pulsarer för att för första gången hitta sannolikheten för en definitiv upptäckt över tiden.

"Om du tar hänsyn till positionerna för pulsarerna på himlen, du har i princip 100 procent chans att upptäcka något om 10 år, "Mingarelli säger. "Summen är att du är garanterad att välja minst en lokal supermassiv svart hål binär."

En överraskning från resultaten var vilka galaxer som mest sannolikt kommer att ge den första glimten av supermassiva svarta håls sammanslagning. Större galaxer betyder större svarta hål och därför starkare gravitationsvågor. Men större svarta hål smälter också samman snabbare, minska fönstret under vilket gravitationsvågor kan detekteras. En sammanslagning av svarta hål i en massiv galax som M87 skulle ge detekterbara gravitationsvågor i 4 miljoner år, till exempel, medan en mer blygsam galax som Sombrero-galaxen skulle erbjuda ett 160 miljoner år långt fönster.

En framgångsrik upptäckt skulle ge astrofysiker en bättre förståelse av astrofysiken i hjärtat av galaxsammanslagningar, Mingarelli säger, och tillhandahålla en ny väg att studera grundläggande fysik som inte är tillgänglig på något annat sätt. Antalet enskilda supermassiva svarta håls binärer som ses ger också ett mått på hur ofta galaxer smälter samman, vilket är ett viktigt mått på hur universum utvecklats över tiden.

Om en supermassiv sammanslagning av svarta hål inte ses, det kan bero på att de svarta hålen stannar vid cirka tre ljusår (eller en parsec) av separation. Denna gåta är känd som Final Parsec Problem. De två svarta hålen sluter sig gradvis över tiden när deras banor försämras när energi går förlorad och genererar gravitationsvågor, men processen kan ta längre tid än universums nuvarande ålder.

Om astronomer kommer att upptäcka en supermassiv sammanslagning av svarta hål, "Det blir intressant hur som helst, " säger Mingarelli.