När tre galaxer kolliderar, vad händer med de enorma svarta hålen i mitten av varje? En ny studie med hjälp av NASA:s Chandra X-ray Observatory och flera andra teleskop avslöjar ny information om hur många svarta hål som rasande växer efter dessa galaktiska smash ups.

Astronomer vill lära sig mer om galaktiska kollisioner eftersom de efterföljande sammanslagningarna är ett nyckelsätt för att galaxer och de gigantiska svarta hålen i deras kärnor växer över kosmisk tid.

"Det har gjorts många studier av vad som händer med supermassiva svarta hål när två galaxer smälter samman, " sa Adi Foord vid Stanford University, som ledde studien. "Vårt är en av de första som systematiskt tittar på vad som händer med svarta hål när tre galaxer möts."

Hon och hennes kollegor identifierade trippelgalaxsammanslagningssystem genom att korsmatcha arkiven – som innehåller data som nu är allmänt tillgängliga – från NASA:s WISE-uppdrag och Sloan Digital Sky Survey (SDSS) till Chandra-arkivet. Med den här metoden hittade de sju trippelgalaxsammanslagningar belägna mellan 370 miljoner och en miljard ljusår från jorden.

Med hjälp av specialiserad programvara utvecklade Foord för sin doktorsexamen. vid University of Michigan i Ann Arbor, teamet gick igenom Chandra-data riktade mot dessa system för att upptäcka röntgenkällor som markerar platsen för växande supermassiva svarta hål. När material faller mot ett svart hål, den värms upp till miljontals grader och producerar röntgenstrålar.

Chandra, med sin skarpa röntgenseende, är idealisk för att upptäcka växande supermassiva svarta hål i sammanslagningar. De associerade röntgenkällorna är utmanande att upptäcka eftersom de vanligtvis ligger nära varandra i bilder och ofta är svaga. Foords mjukvara utvecklades speciellt för att hitta sådana källor. Data från andra teleskop användes sedan för att utesluta andra möjliga ursprung för röntgenstrålningen som inte var relaterade till supermassiva svarta hål.

Resultaten från Foord och teamet visar att av sju trippelgalaxsammanslagningar finns det en med ett enda växande supermassivt svart hål, fyra med dubbelväxande supermassiva svarta hål, och en som är en trippel. Den sista trippelsammanslagningen som de studerade verkar ha slagit ut utan att någon röntgenstrålning upptäcktes från de supermassiva svarta hålen. I system med flera svarta hål, avstånden mellan dem varierar mellan cirka 10, 000 och 30, 000 ljusår.

"Varför bryr vi oss om träffprocenten för dessa svarta hål?" sa medförfattaren Jessie Runnoe från Vanderbilt University i Nashville, Tenn. "Eftersom den här statistiken kan berätta mer om hur svarta hål och galaxerna de bebor växer."

När de hittade bevis för ljusa röntgenkällor som kandidater för att växa supermassiva svarta hål i Chandra-data, forskarna inkorporerade arkivdata från andra teleskop. Som en andra domare som konfererar om det ursprungliga samtalet, dessa data backade upp tanken att flera svarta hål fanns i de sammanslagna galaxerna.

För att göra dessa samtal studerade författarna infraröd data från WISE-uppdraget, den infraröda astronomiska satelliten, och Two Micron All Sky Telescope för att se hur snabbt stjärnor bildas i de olika galaxerna i deras undersökning. Detta gjorde det möjligt för dem att uppskatta hur många av de upptäckta röntgenstrålarna som sannolikt kommer från röntgenstrålningssystem som innehåller massiva stjärnor, snarare än ett växande supermassivt svart hål. Eftersom sådana stjärnsystem är unga är de vanligare när stjärnor bildas snabbare. Foord och hennes kollegor använde denna teknik för att dra slutsatsen att en av röntgenkällorna de hittade sannolikt kommer från en samling stjärnsystem som utsänder röntgen.

Chandra- och WISE-data visar att systemet med växande supermassiva svarta hål har den största mängden damm och gas. Detta matchar teoretiska datorsimuleringar av sammanslagningar som tyder på att högre nivåer av gas nära svarta hål är mer benägna att utlösa snabb tillväxt av svarta hål.

Studier av trippelsammanslagningar kan hjälpa forskare att förstå om par av supermassiva svarta hål kan närma sig så nära varandra att de skapar krusningar i rymdtiden som kallas gravitationsvågor. Den energi som går förlorad av dessa vågor kommer oundvikligen att få de svarta hålen att smälta samman.

Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) och Virgo-arrayen i Europa har visat astronomer att svarta hål med stjärnmassa skapar gravitationsvågor och smälter samman, men det är inte känt om supermassiva svarta hål gör det.

"Det finns ett "mardrömsscenario" där supermassiva svarta hål inte kan förlora tillräckligt med energi för att komma nära varandra och skapa gravitationsvågor, säger medförfattaren Michael Koss på Eureka Scientific i Oakland, Kalifornien. "Om detta är fallet kommer projekt som LISA och pulsar timing arrays inte att ha några supermassiva svarta hålssammanslagningar att upptäcka".

Dock, gravitationsinteraktioner från ett tredje supermassivt svart hål kan förhindra denna avstötningsprocess. Studier av supermassiva svarta hål i system där tre galaxer går samman är därför viktiga för att förstå om mardrömsscenariot kan gälla.

Systemet med tre växande supermassiva svarta hål hade tidigare rapporterats av Ryan Pfeifle från George Mason University i Fairfax, Virginia i ett pressmeddelande från Chandra och ett dokument från oktober 2019 i The Astrophysical Journal , och ett team ledd av Xin Lui från University of Illinois i Urbana-Champaign i en uppsats från december 2019 i The Astrophysical Journal . Det här senaste resultatet hjälper till att sätta den upptäckten i sammanhang med andra trippelsammanslagningar av galaxer.

Foord presenterade den nya studien vid det 237:e mötet i American Astronomical Society, som hålls praktiskt taget 11-15 januari, 2021. Två artiklar som beskriver detta arbete har nyligen accepterats för publicering i The Astrophysical Journal ..