Mysteriet kring var ett supermassivt svart hål finns har fördjupats.

Trots sökning med NASA:s Chandra X-ray Observatory och Hubble Space Telescope, astronomer har inga bevis för att ett avlägset svart hål som uppskattas väga mellan 3 miljarder och 100 miljarder gånger solens massa finns någonstans att hitta.

Detta saknade svarta hål borde finnas i den enorma galaxen i mitten av galaxhopen Abell 2261, som ligger cirka 2,7 miljarder ljusår från jorden. Den här sammansatta bilden av Abell 2261 innehåller optiska data från Hubble och Subaru-teleskopet som visar galaxer i klustret och i bakgrunden, och Chandra röntgendata som visar het gas (färgad rosa) som genomsyrar klustret. Mitten av bilden visar den stora elliptiska galaxen i mitten av klustret.

Nästan varje stor galax i universum innehåller ett supermassivt svart hål i mitten, med en massa som är miljoner eller miljarder gånger solens. Eftersom massan av ett centralt svart hål vanligtvis följer massan av själva galaxen, astronomer förväntar sig att galaxen i centrum av Abell 2261 kommer att innehålla ett supermassivt svart hål som konkurrerar med några av de största kända svarta hålen i universum.

Med hjälp av Chandra-data som erhölls 1999 och 2004 hade astronomer redan sökt i mitten av Abell 2261:s stora centrala galax efter tecken på ett supermassivt svart hål. De letade efter material som har överhettats när det föll mot det svarta hålet och producerade röntgenstrålar, men upptäckte inte en sådan källa.

Nu, med nya, längre Chandra-observationer som erhölls 2018, ett team ledd av Kayhan Gultekin från University of Michigan i Ann Arbor genomförde en djupare sökning efter det svarta hålet i mitten av galaxen. De övervägde också en alternativ förklaring, där det svarta hålet kastades ut från värdgalaxens centrum. Denna våldsamma händelse kan ha varit resultatet av att två galaxer gick samman för att bilda den observerade galaxen, åtföljs av att det centrala svarta hålet i varje galax smälter samman och bildar ett enormt svart hål.

När svarta hål smälter samman, de producerar krusningar i rumtiden som kallas gravitationsvågor. Om den enorma mängden gravitationsvågor som genererades av en sådan händelse var starkare i en riktning än en annan, teorin förutspår att den nya, ännu mer massiva svarta hål skulle ha skickats bort från galaxens centrum i motsatt riktning. Detta kallas ett rekylande svart hål.

Astronomer har inte hittat definitiva bevis för att svarta hål ryggar tillbaka och det är inte känt om supermassiva svarta hål ens kommer tillräckligt nära varandra för att producera gravitationsvågor och smälta samman; än så länge, astronomer har bara verifierat sammanslagningarna av mycket mindre svarta hål. Detekteringen av rekylerande supermassiva svarta hål skulle uppmuntra forskare som använder och utvecklar observatorier för att leta efter gravitationsvågor från sammanslagna supermassiva svarta hål.

Galaxen i centrum av Abell 2261 är ett utmärkt kluster för att söka efter ett ryggande svart hål eftersom det finns två indirekta tecken på att en sammanslagning mellan två massiva svarta hål kan ha ägt rum. Först, data från Hubble och Subaru optiska observationer avslöjar en galaktisk kärna – det centrala området där antalet stjärnor i galaxen i en given fläck av galaxen är på eller nära maxvärdet – som är mycket större än förväntat för en galax med dess storlek. Det andra tecknet är att den tätaste koncentrationen av stjärnor i galaxen är över 2, 000 ljusår bort från galaxens centrum, vilket är påfallande avlägset.

Dessa egenskaper identifierades först av Marc Postman från Space Telescope Science Institute (STScI) och medarbetare i deras tidigare Hubble- och Subaru-bilder, och fick dem att föreslå idén om ett sammanslaget svart hål i Abell 2261. Under en sammanslagning, det supermassiva svarta hålet i varje galax sjunker mot mitten av den nyligen sammansmälta galaxen. Om de blir bundna till varandra av gravitationen och deras omloppsbana börjar krympa, de svarta hålen förväntas interagera med omgivande stjärnor och kasta ut dem från galaxens mitt. Detta skulle förklara Abell 2261:s stora kärna. Den off-center koncentrationen av stjärnor kan också ha orsakats av en våldsam händelse som sammanslagning av två supermassiva svarta hål och efterföljande rekyl av enstaka, större svart hål som resulterar.

Även om det finns ledtrådar om att en sammanslagning av svarta hål ägde rum, varken Chandra- eller Hubble-data visade bevis för själva det svarta hålet. Gultekin och de flesta av hans medförfattare, ledd av Sarah Burke-Spolaor från West Virginia University, hade tidigare använt Hubble för att leta efter en klump av stjärnor som kan ha burits bort av ett ryggande svart hål. De studerade tre klumpar nära galaxens centrum, och undersökte om stjärnornas rörelser i dessa klumpar är tillräckligt höga för att antyda att de innehåller ett tio miljarder solmassa svart hål. Inga tydliga bevis för ett svart hål hittades i två av klumparna och stjärnorna i den andra var för svaga för att dra användbara slutsatser.

De har också tidigare studerat observationer av Abell 2261 med NSF:s Karl G. Jansky Very Large Array. Radiostrålning som upptäcktes nära galaxens centrum visade bevis på att supermassiv svarthålsaktivitet hade inträffat där för 50 miljoner år sedan, men indikerar inte att galaxens centrum för närvarande innehåller ett sådant svart hål.

De vände sig sedan till Chandra för att leta efter material som hade överhettats och producerat röntgenstrålar när det föll mot det svarta hålet. Medan Chandra-data avslöjade att den tätaste heta gasen inte fanns i mitten av galaxen, de avslöjade inga möjliga röntgensignaturer av ett växande supermassivt svart hål – ingen röntgenkälla hittades i mitten av klustret, eller i någon av stjärnorna, eller på platsen för radioutsändningen.

Författarna drog slutsatsen att antingen finns det inget svart hål på någon av dessa platser, eller att den drar in material för långsamt för att producera en detekterbar röntgensignal.

Mysteriet med detta gigantiska svarta håls läge fortsätter därför. Trots att sökningen misslyckades, hopp kvarstår för astronomer som letar efter detta supermassiva svarta hål i framtiden. När den väl har lanserats, rymdteleskopet James Webb kanske kan avslöja närvaron av ett supermassivt svart hål i mitten av galaxen eller en av stjärnklumparna. Om Webb inte kan hitta det svarta hålet, då är den bästa förklaringen att det svarta hålet har dragit tillbaka en bra bit ur galaxens mitt.

En artikel som beskriver dessa resultat har godkänts för publicering i en tidskrift från American Astronomical Society, och finns även tillgänglig online på arxiv.org/abs/2010.13980 .