Vad händer när två supermassiva svarta hål kolliderar? Genom att kombinera observationskraften hos två framtida ESA-uppdrag, Athena och LISA, skulle tillåta oss att studera dessa kosmiska sammandrabbningar och deras mystiska efterdyningar för första gången.

Supermassiva svarta hål, med massor som sträcker sig från miljoner till miljarder solar, sitta i kärnan av de flesta massiva galaxer över hela universum. Vi vet inte exakt hur dessa enorma, enormt täta föremål tog form, inte heller vad som får en bråkdel av dem att börja sluka den omgivande materien i extremt intensiva takter, strålar rikligt över det elektromagnetiska spektrumet och förvandlar deras värdgalaxer till "aktiva galaktiska kärnor".

Att tackla dessa öppna frågor inom modern astrofysik är bland huvudmålen för två framtida uppdrag i ESA:s rymdvetenskapsprogram:Athena, Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics, och LISA, laserinterferometerns rymdantenn. För närvarande i studiefasen, båda uppdragen är planerade att lanseras i början av 2030-talet.

"Athena och LISA är båda enastående uppdrag som ska göra genombrott inom många områden av astrofysik, säger Günther Hasinger, ESA:s vetenskapschef.

"Men det finns ett extremt spännande experiment som vi bara skulle kunna utföra om båda uppdragen är i drift samtidigt under åtminstone några år:att föra ljud till de 'kosmiska filmerna' genom att observera sammansmältningen av supermassiva svarta hål både i röntgenstrålning och gravitationsvågor.

"Med denna unika möjlighet att utföra oöverträffade observationer av ett av de mest fascinerande fenomenen i kosmos, synergin mellan Athena och LISA skulle avsevärt öka det vetenskapliga utbytet från båda uppdragen, säkerställa europeiskt ledarskap i en nyckel, nytt forskningsområde."

Athena kommer att bli det största röntgenobservatoriet som någonsin byggts, undersöker några av de hetaste och mest energiska fenomenen i kosmos med oöverträffad noggrannhet och djup.

Den är utformad för att svara på två grundläggande frågor:hur supermassiva svarta hål i galaxernas centrum bildas och utvecklas, och hur "vanlig" materia samlas, tillsammans med den osynliga mörka materien, för att bilda det tråkiga "kosmiska nätet" som genomsyrar universum.

"Athena kommer att mäta flera hundratusentals svarta hål, från relativt nära till långt borta, observera röntgenstrålningen från den miljon grader varma materien i sin omgivning, " säger Matteo Guainazzi, Athena studieforskare vid ESA.

"Vi är särskilt intresserade av de mest avlägsna svarta hålen, de som bildades under de första hundra miljoner åren av universums historia, och vi hoppas att vi äntligen kommer att kunna förstå hur de bildades."

Under tiden, LISA kommer att vara det första rymdburna observatoriet av gravitationsvågor – fluktuationer i rymdtidens struktur som produceras av accelerationen av kosmiska objekt med mycket starka gravitationsfält, som par av sammanslagna svarta hål.

Gravitationsvågsastronomi, invigdes för bara några år sedan, är för närvarande begränsad till högfrekventa vågor som kan undersökas av markbaserade experiment som LIGO och Jungfrun. Dessa experiment är känsliga för sammanslagningar av relativt små svarta hål - några gånger till några tiotals gånger mer massiva än solen. LISA kommer att utöka dessa studier genom att detektera lågfrekventa gravitationsvågor, som de som släpps när två supermassiva svarta hål kolliderar under en sammanslagning av galaxer.

"LISA kommer att vara det första uppdraget i sitt slag, letar främst efter gravitationsvågor som kommer från supermassiva svarta hål som slår in i varandra, " förklarar Paul McNamara, LISA-studieforskare vid ESA.

"Detta är ett av de mest energiska fenomen vi känner till, frigör mer energi än vad hela det vilande universum gör vid något tillfälle. Om två supermassiva svarta hål smälter samman någonstans i kosmos, LISA kommer att se det."

De första gravitationsvåghändelserna som upptäcktes av LIGO och Jungfrun mellan 2015 och 2017 härrörde alla från par av svarta hål med stjärnmassa, som är kända för att inte utstråla något ljus vid koalescens. Sedan, i augusti 2017, gravitationsvågor som kommer från en annan källa - sammanslagning av två neutronstjärnor - upptäcktes.

Den här gången, gravitationsvågorna åtföljdes av strålning över det elektromagnetiska spektrumet, lätt observeras med en mängd teleskop på jorden och i rymden. Genom att kombinera information från olika typer av observationer i ett tillvägagångssätt som kallas multi-budbärarastronomi, forskare skulle kunna fördjupa sig i detaljerna i detta aldrig tidigare observerade fenomen.

Med Athena och LISA tillsammans, vi skulle kunna tillämpa multibudbärarastronomi på supermassiva svarta hål för första gången. Simuleringar förutspår att deras sammanslagningar, till skillnad från deras motsvarigheter av stjärnmassa, sänder ut både gravitationsvågor och strålning - den senare har sitt ursprung i det heta, interstellär gas från de två kolliderande galaxerna som rörs om av paret med svarta hål när de faller mot varandra.

LISA kommer att upptäcka gravitationsvågorna som emitteras av de spiralformade svarta hålen ungefär en månad innan deras slutliga sammansmältning, när de fortfarande är åtskilda av ett avstånd som motsvarar flera gånger deras radier. Forskare förväntar sig att en bråkdel av de sammanslagningar som hittats av LISA, speciellt de inom avstånd av några miljarder ljusår från oss, kommer att ge upphov till en röntgensignal som så småningom kan ses av Athena.

"När LISA först upptäcker en signal, vi vet inte ännu var den kommer ifrån, eftersom LISA är en all-sky sensor, så det fungerar mer som en mikrofon än ett teleskop, " förklarar Paul.

"Dock, när de svarta hålen inspirerar till varandra, amplituden för deras gravitationsvågsignal ökar. Detta, i kombination med satelliternas rörelse längs deras banor, kommer att tillåta LISA att gradvis förbättra lokaliseringen av källan på himlen, fram till den tidpunkt då de svarta hålen slutligen smälter samman."

Några dagar före slutfasen av sammanslagningen, gravitationsvågdata kommer att begränsa källans position till en fläck på himlen som mäter cirka 10 kvadratgrader – ungefär 50 gånger fullmånens yta. Det här är fortfarande ganska stort, men skulle tillåta Athena att börja skanna himlen för att söka efter en röntgensignal från denna titaniska sammandrabbning. Simuleringar indikerar att de två spiralformade svarta hålen modulerar rörelsen hos den omgivande gasen, så det är troligt att röntgensignaturen kommer att ha en frekvens som motsvarar gravitationsvågsignalens frekvens.

Sedan, bara några timmar innan de svarta hålens slutliga sammansmältning, LISA kan ge en mycket mer exakt indikation på himlen, ungefär storleken på synfältet för Athenas Wide Field Imager (WFI), så att röntgenobservatoriet kan peka direkt mot källan.

"Att fånga röntgensignalen innan de svarta hålen blir ett kommer att vara mycket utmanande, men vi är ganska övertygade om att vi kan göra en upptäckt under och efter sammanslagningen, " förklarar Matteo.

"Vi kunde se uppkomsten av en ny röntgenkälla, och kanske bevittna födelsen av en aktiv galaktisk kärna, med strålar av högenergipartiklar som skjuts upp nära ljusets hastighet över och bortom det nybildade svarta hålet."

Vi har aldrig observerat sammanslagna supermassiva svarta hål – vi har ännu inte anläggningarna för sådana observationer. Först, vi behöver LISA för att upptäcka gravitationsvågorna och tala om för oss var vi ska titta på himlen; då behöver vi Athena för att observera det med hög precision i röntgenstrålar för att se hur den mäktiga kollisionen påverkar gasen som omger de svarta hålen. Vi kan använda teori och simuleringar för att förutsäga vad som kan hända, men vi måste kombinera dessa två fantastiska uppdrag för att ta reda på det.

För hundra år sedan denna månad, den 29 maj 1919, observationer av stjärnornas positioner under en total solförmörkelse gav det första empiriska beviset på ljusets gravitationsböjning som förutspåddes några år tidigare av Albert Einsteins allmänna relativitetsteori. Denna historiska förmörkelse invigde ett sekel av gravitationsexperiment på jorden och i rymden, sätter scenen för inspirerande uppdrag som Athena och LISA, och fler spännande upptäckter.