Det verkar som att även svarta hål inte kan motstå frestelsen att sätta in sig själva oanmälda i fotografier. En kosmisk fotobomb som hittades som ett bakgrundsobjekt i bilder av den närliggande Andromeda-galaxen har avslöjat vad som kan vara det mest tätt kopplade par supermassiva svarta hål som någonsin setts.

Astronomer gjorde denna anmärkningsvärda upptäckt med hjälp av röntgendata från NASA:s Chandra X-ray Observatory och optiska data från markbaserade teleskop, Gemini-North på Hawaii och Caltechs Palomar Transient Factory i Kalifornien.

Denna ovanliga källa, kallas LGGS J004527.30+413254.3 (förkortat J0045+41), sågs i optiska och röntgenbilder av Andromeda, även känd som M31. Tills nyligen, forskare trodde att J0045+41 var ett objekt inom M31, en stor spiralgalax som ligger relativt nära på ett avstånd av cirka 2,5 miljoner ljusår från jorden. De nya uppgifterna, dock, avslöjade att J0045+41 faktiskt var på ett mycket större avstånd, cirka 2,6 miljarder ljusår från jorden.

"Vi letade efter en speciell typ av stjärna i M31 och trodde att vi hade hittat en, " sa Trevor Dorn-Wallenstein vid University of Washington i Seattle, WA, som ledde tidningen som beskrev denna upptäckt. "Vi blev förvånade och glada över att hitta något mycket främmande!"

Ännu mer spännande än det stora avståndet J0045+41 är att det sannolikt innehåller ett par gigantiska svarta hål i nära omloppsbana runt varandra. Den uppskattade totala massan för dessa två supermassiva svarta hål är cirka tvåhundra miljoner gånger vår sols massa.

Tidigare, ett annat team av astronomer hade sett periodiska variationer i det optiska ljuset från J0045+41, och, tror att det är en medlem av M31, klassificerade det som ett par stjärnor som kretsade runt varandra ungefär en gång var 80:e dag.

Intensiteten hos röntgenkällan som observerades av Chandra avslöjade att denna ursprungliga klassificering var felaktig. Snarare, J0045+41 måste vara antingen ett binärt system i M31 som innehåller en neutronstjärna eller ett svart hål som drar material från en följeslagare – den typ av system som Dorn-Wallenstein ursprungligen letade efter i M31 – eller ett mycket mer massivt och avlägset system som innehåller minst ett snabbt växande supermassivt svart hål.

Dock, ett spektrum från Gemini-North-teleskopet taget av University of Washington-teamet visade att J0045+41 måste vara värd för minst ett supermassivt svart hål och tillät forskarna att uppskatta avståndet. Spektrumet gav också möjliga bevis för att ett andra svart hål fanns i J0045+41 och rörde sig med en annan hastighet än det första, som förväntat om de två svarta hålen kretsar runt varandra.

Teamet använde sedan optisk data från Palomar Transient Factory för att söka efter periodiska variationer i ljuset från J0045+41. De hittade flera perioder i J0045+41, inklusive sådana vid cirka 80 och 320 dagar. Förhållandet mellan dessa perioder matchar det som förutspåtts av teoretiskt arbete om dynamiken hos två gigantiska svarta hål som kretsar runt varandra.

"Det här är första gången så starka bevis har hittats för ett par kretsande gigantiska svarta hål, " sa medförfattaren Emily Levesque vid University of Washington.

Forskarna uppskattar att de två förmodade svarta hålen kretsar runt varandra med en separation på bara några hundra gånger avståndet mellan jorden och solen. Det motsvarar mindre än en hundradels ljusår. Som jämförelse, den närmaste stjärnan till vår sol är cirka fyra ljusår bort.

Ett sådant system skulle kunna bildas som en konsekvens av sammanslagningen, miljarder år tidigare, av två galaxer som var och en innehöll ett supermassivt svart hål. Vid deras nuvarande nära separation, de två svarta hålen dras oundvikligen närmare varandra eftersom de avger gravitationsvågor.

"Vi kan inte fastställa exakt hur mycket massa vart och ett av dessa svarta hål innehåller, " sa medförfattaren John Ruan, även vid University of Washington. "Beroende på det, vi tror att detta par kommer att kollidera och smälta samman till ett svart hål om så lite som 350 år eller så mycket som 360 år, 000 år."

Om J0045+41 verkligen innehåller två tätt kretsande svarta hål kommer det att sända ut gravitationsvågor, signalen skulle dock inte vara detekterbar med LIGO och Jungfrun. Dessa markbaserade anläggningar har upptäckt sammanslagningar av svarta hål med stjärnmassa som inte väger mer än cirka 60 solar och, väldigt nyligen, en mellan två neutronstjärnor.

"Supermassiva sammanslagningar av svarta hål sker i slow motion jämfört med svarta hål av stjärnmassa", sa Dorn-Wallenstein. "De mycket långsammare förändringarna i gravitationsvågorna från ett system som J0045+41 kan bäst detekteras av en annan typ av gravitationsvågsanläggning som kallas en Pulsar Timing Array."

En artikel som beskriver detta resultat godkändes för publicering i numret av The 20 november Astrofysisk tidskrift och är tillgänglig online.