Dessa bilder avslöjar det sista steget i en förening mellan två galaktiska kärnor i den röriga kärnan i den sammanslagna galaxen NGC 6240. Bilden till vänster visar hela galaxen. Till höger är en närbild av de två lysande kärnorna i denna galaktiska förening. Den här vyn, tagen i infrarött ljus, genomborrar det täta molnet av damm och gas som omger de två kolliderande galaxerna och avslöjar de aktiva kärnorna. De rejäla svarta hålen i dessa kärnor växer snabbt när de njuter av gas som sparkas upp av galaxfusionen. Upphovsman:NASA, ESA, W. M. Keck -observatoriet, Pan-STARRS och M. Koss (Eureka Scientific, Inc.)
För första gången, ett team av astronomer har observerat flera par galaxer i de sista stadierna av att gå samman till singel, större galaxer. Peering genom tjocka väggar av gas och damm som omger de sammanslagna galaxernas röriga kärnor, forskargruppen fångade par av supermassiva svarta hål - var och en som en gång innehöll mitten av en av de två ursprungliga mindre galaxerna - närmar sig varandra innan de förenas till ett jätte svart hål.
Leds av University of Maryland alumn Michael Koss (MS '07, Ph.D. '11, astronomi), forskare på Eureka Scientific, Inc., med bidrag från UMD -astronomer, laget undersökte hundratals närliggande galaxer med hjälp av bilder från W.M. Keck -observatoriet på Hawaii och NASA:s rymdteleskop Hubble. Hubble -observationerna representerar mer än 20 års värde av bilder från teleskopets långa arkiv. Teamet beskrev sina resultat i ett forskningsarbete publicerat den 8 november, 2018, i tidningen Natur .
"Att se paren av sammanslagna galaxkärnor i samband med dessa enorma svarta hål så nära varandra var ganska fantastiskt, "Koss sa." I vår studie, vi ser två galaxkärnor precis när bilderna togs. Du kan inte argumentera med det; det är ett mycket "rent" resultat, som inte förlitar sig på tolkning. "
Högupplösta bilder ger också en förhandsvisning av ett fenomen som astronomer misstänker var vanligare i det tidiga universum, när galaxfusioner var vanligare. När de svarta hålen äntligen kolliderar, de kommer att släppa loss kraftfull energi i form av gravitationella vågor-krusningar i rymdtid som nyligen upptäcktes för första gången av två Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) detektorer.
Bilderna visar också vad som sannolikt kommer att hända om några miljarder år, när vår Vintergatans galax går samman med den närliggande Andromeda -galaxen. Båda galaxerna är värd för supermassiva svarta hål i mitten, som så småningom kommer att krossas och smälta samman till ett större svart hål.
Teamet inspirerades av en Hubble -bild av två interagerande galaxer som tillsammans kallas NGC 6240, som senare fungerade som en prototyp för studien. Teamet sökte först efter visuellt dolda, aktiva svarta hål genom att sikta igenom 10 års värde av röntgendata från Burst Alert Telescope (BAT) ombord på NASA:s Neil Gehrels Swift Observatory.
Dessa bilder avslöjar det sista stadiet av en förening mellan par galaktiska kärnor i de röriga kärnorna i kolliderande galaxer. Bilden längst upp till vänster, tagen av Hubbles Wide Field Camera 3, visar den sammanslagna galaxen NGC 6240. En närbild av de två lysande kärnorna i denna galaktiska förening visas längst upp till höger. Den här vyn, tagen i infrarött ljus, genomborrar det täta molnet av damm och gas som omger de två kolliderande galaxerna och avslöjar de aktiva kärnorna. De rejäla svarta hålen i dessa kärnor växer snabbt när de njuter av gas som sparkas upp av galaxfusionen. De svarta hålens snabba tillväxt sker under de senaste 10 miljoner till 20 miljoner åren av sammanslagningen. Bilder av fyra andra kolliderande galaxer, tillsammans med närbilder av deras koalescerande kärnor i de ljusa kärnorna, visas under ögonblicksbilderna av NGC 6240. Bilderna av de ljusa kärnorna togs i nära-infrarött ljus av W. M. Keck-observatoriet på Hawaii, med adaptiv optik för att skärpa utsikten. Referensbilderna (vänster) av de sammanslagna galaxerna togs av Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System (Pan-STARRS). De två kärnorna i Hubble- och Keck -observatoriets bilder är bara cirka 3, 000 ljusår från varandra-en nära omfamning i kosmiska termer. Om det finns par svarta hål, de kommer troligen att gå samman inom de närmaste 10 miljoner åren för att bilda ett mer massivt svart hål. Dessa observationer är en del av den största undersökningen någonsin av kärnorna i närliggande galaxer med hjälp av högupplösta bilder i nära-infrarött ljus som tagits av Hubble- och Keck-observatorierna. Undersökningsgalaxernas genomsnittliga avstånd är 330 miljoner ljusår från jorden. Upphovsman:NASA, ESA, och M. Koss (Eureka Scientific, Inc.); Keck -bilder:W. M. Keck -observatoriet och M. Koss (Eureka Scientific, Inc.); Pan-STARRS-bilder:Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System och M. Koss (Eureka Scientific, Inc.)
"Fördelen med att använda Swifts BAT är att den observerar hög energi, 'hårda' röntgenstrålar, "sa studiemedförfattaren Richard Mushotzky, professor i astronomi vid UMD och stipendiat vid Joint Space-Science Institute (JSI). "Dessa röntgenstrålar tränger igenom de tjocka molnen av damm och gas som omger aktiva galaxer, tillåter BAT att se saker som bokstavligen är osynliga i andra våglängder. "
Forskarna kammade sedan igenom Hubble -arkivet, nollning på de sammanslagna galaxerna som de upptäckte i röntgendata. De använde sedan Keck-teleskopets superskarpa, nära-infrarött syn för att observera ett större urval av röntgenproducerande svarta hål som inte finns i Hubble-arkivet.
Teamet riktade in sig på galaxer som ligger i genomsnitt 330 miljoner ljusår från jorden-relativt nära i kosmiska termer. Många av galaxerna är lika stora som Vintergatan och Andromeda -galaxerna. Totalt, teamet analyserade 96 galaxer observerade med Keck -teleskopet och 385 galaxer från Hubble -arkivet.
Deras resultat tyder på att mer än 17 procent av dessa galaxer är värd för ett par svarta hål i mitten, som är låsta i de sena stadierna av att spiralera allt närmare varandra innan de går samman till en enda, extremt massivt svart hål. Forskarna blev förvånade över att hitta en så hög andel av sena fusioner, eftersom de flesta simuleringar tyder på att par med svarta hål tillbringar väldigt lite tid i denna fas.
För att kontrollera deras resultat, forskarna jämförde undersökningsgalaxerna med en kontrollgrupp på 176 andra galaxer från Hubble -arkivet som saknar aktivt växande svarta hål. I denna grupp, endast cirka en procent av de undersökta galaxerna misstänktes vara värd för par svarta hål i de senare faserna av sammanslagning.
Detta sista steg hjälpte forskarna att bekräfta att de lysande galaktiska kärnorna som finns i deras folkräkning av dammiga interagerande galaxer verkligen är en signatur på snabbt växande par av svarta hål på väg mot en kollision. Enligt forskarna, detta fynd överensstämmer med teoretiska förutsägelser, men tills nu, inte hade verifierats genom direkta observationer.
"Människor hade genomfört studier för att leta efter dessa nära samverkande svarta hål tidigare, men det som verkligen möjliggjorde just den här studien var röntgenstrålarna som kan bryta igenom dammens kokong, "förklarade Koss." Vi tittade också lite längre i universum så att vi kunde undersöka en större volym utrymme, vilket ger oss en större chans att hitta mer lysande, snabbt växande svarta hål. "
Det är inte lätt att hitta galaktiska kärnor så nära varandra. De flesta tidigare observationer av sammanslagna galaxer har fångat de sammanfallande svarta hålen i tidigare skeden, när de var cirka 10 gånger längre bort. Det sena stadiet av sammanslagningsprocessen är så svårfångat eftersom de interagerande galaxerna är inneslutna i tätt damm och gas, kräver mycket högupplösta observationer som kan se genom molnen och identifiera de två sammanslagna kärnorna.
"Datorsimuleringar av galax -smashups visar oss att svarta hål växer snabbast under de sista faserna av sammanslagningar, nära den tid då de svarta hålen interagerar, och det är vad vi har hittat i vår undersökning, "sa Laura Blecha, en biträdande professor i fysik vid University of Florida och en medförfattare till studien. Blecha var postdoktor vid JSI -priset vid UMD:s avdelning för astronomi innan han började på UF:s fakultet 2017. "Det faktum att svarta hål växer snabbare och snabbare när fusioner utvecklas berättar för oss att galaxmöten är väldigt viktiga för vår förståelse av hur dessa objekt kan vara så oerhört stor. "
Framtida infraröda teleskop som NASA:s efterlängtade James Webb Space Telescope (JWST), planeras att lanseras 2021, ger en ännu bättre bild av sammanslagningar i dammiga, starkt skymda galaxer. För par i närheten av svarta hål, JWST bör också kunna mäta massorna, tillväxttakt och andra fysiska parametrar för varje svart hål.
"Det kan finnas andra objekt som vi missat. Även med Hubble, många närliggande galaxer vid låg rödförskjutning kan inte lösas - de två kärnorna går bara samman till en, "säger studiens medförfattare Sylvain Veilleux, professor i astronomi vid UMD och JSI -stipendiat. "Med JWSTs högre vinkelupplösning och känslighet för infrarött, som kan passera genom de dammiga kärnorna i dessa galaxer, sökningar efter dessa närliggande objekt bör vara enkla att göra. Även med JWST, vi kommer att kunna driva mot större avstånd, för att se föremål vid högre rödförskjutning. Med dessa observationer, vi kan börja utforska fraktionen av föremål som smälter samman i de yngsta, de mest avlägsna regionerna i universum - vilket borde vara ganska frekvent. "
