Med hjälp av arkivdata från Gemini North-teleskopet har ett team av astronomer mätt det tyngsta paret supermassiva svarta hål som någonsin hittats. Sammanslagningen av två supermassiva svarta hål är ett fenomen som länge har förutsetts, men aldrig observerats. Detta massiva par ger ledtrådar till varför en sådan händelse verkar så osannolik i universum.

Nästan varje massiv galax har ett supermassivt svart hål i mitten. När två galaxer smälter samman kan deras svarta hål bilda ett binärt par, vilket betyder att de är i en bunden bana med varandra. Det antas att dessa binärer är ödesbestämda att så småningom smälta samman, men detta har aldrig observerats. Frågan om en sådan händelse är möjlig har varit ett diskussionsämne bland astronomer i decennier.

I en nyligen publicerad artikel i The Astrophysical Journal , har ett team av astronomer presenterat ny insikt i denna fråga.

Teamet använde data från Gemini North-teleskopet i Hawai'i, ena hälften av International Gemini Observatory som drivs av NSF:s NOIRLab, för att analysera ett supermassivt svart hål binärt beläget i den elliptiska galaxen B2 0402+379. Detta är den enda binära supermassiva svarta hålet som någonsin har lösts tillräckligt detaljerat för att se båda objekten separat, och det har rekordet för att ha den minsta separation som någonsin uppmätts direkt - bara 24 ljusår. Även om denna nära separation förutsäger en kraftfull sammanslagning, avslöjade ytterligare undersökningar att paret har stannat på detta avstånd i över tre miljarder år, vilket ställer frågan:Vad är det?

För att bättre förstå dynamiken i detta system och dess stoppade sammanslagning tittade teamet på arkivdata från Gemini Norths Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS), som gjorde det möjligt för dem att bestämma hastigheten på stjärnorna i närheten av de svarta hålen.

"Den utmärkta känsligheten hos GMOS gjorde det möjligt för oss att kartlägga stjärnornas ökande hastigheter när man tittar närmare galaxens centrum", säger Roger Romani, fysikprofessor vid Stanford University och medförfattare till tidningen. "Med det kunde vi sluta oss till den totala massan av de svarta hålen som finns där."

Teamet uppskattar binärens massa till hela 28 miljarder gånger solens, vilket kvalificerar paret som det tyngsta binära svarta hålet som någonsin uppmätts. Denna mätning ger inte bara ett värdefullt sammanhang till bildandet av det binära systemet och historien om dess värdgalax, utan det stöder den långvariga teorin att massan av ett supermassivt binärt svart hål spelar en nyckelroll för att stoppa en potentiell sammanslagning.

"Dataarkivet som betjänar International Gemini Observatory har en guldgruva av outnyttjade vetenskapliga upptäckter", säger Martin Still, NSF-programchef för International Gemini Observatory. "Massmätningar för detta extrema supermassiva binära svarta hål är ett imponerande exempel på den potentiella inverkan från ny forskning som utforskar det rika arkivet."

Att förstå hur detta binära format kan hjälpa till att förutsäga om och när det kommer att smälta samman – och en handfull ledtrådar pekar på att paret bildas via flera galaxsammanslagningar. Den första är att B2 0402+379 är ett "fossilt kluster", vilket betyder att det är resultatet av en hel galaxhops värde av stjärnor och gas som smälter samman till en enda massiv galax. Dessutom antyder närvaron av två supermassiva svarta hål, tillsammans med deras stora kombinerade massa, att de härrörde från sammanslagningen av flera mindre svarta hål från flera galaxer.

Efter en galaktisk sammanslagning kolliderar inte supermassiva svarta hål frontalt. Istället börjar de slunga förbi varandra när de sätter sig i en bunden bana. För varje pass de gör överförs energi från de svarta hålen till de omgivande stjärnorna. När de förlorar energi, dras paret ner närmare och närmare tills de bara är ljusår från varandra, där gravitationsstrålningen tar över och de smälter samman. Denna process har observerats direkt i par av svarta hål av stjärnmassa – den första registrerade instansen var 2015 via detektering av gravitationsvågor – men aldrig i en binär av den supermassiva sorten.

Med ny kunskap om systemets extremt stora massa drog teamet slutsatsen att ett exceptionellt stort antal stjärnor skulle ha behövts för att bromsa binärens omloppsbana tillräckligt mycket för att föra dem så nära. Under processen tycks de svarta hålen ha kastat ut nästan all materia i deras närhet och lämnat galaxens kärna svälta på stjärnor och gas. Utan mer material tillgängligt för att bromsa parets omloppsbana ytterligare, har deras sammanslagning avstannat i sitt slutskede.

"Normalt verkar det som att galaxer med ljusare par av svarta hål har tillräckligt med stjärnor och massa för att snabbt driva ihop de två", sa Romani. "Eftersom det här paret är så tungt krävdes det massor av stjärnor och gas för att få jobbet gjort. Men binären har genomsökt den centrala galaxen av sådan materia och lämnat den stillastående och tillgänglig för vår studie."

Om paret kommer att övervinna sin stagnation och så småningom smälta samman på miljontals år, eller fortsätta i orbital limbo för alltid, är ännu inte bestämt. Om de smälter samman skulle de resulterande gravitationsvågorna vara hundra miljoner gånger kraftigare än de som produceras av sammanslagningar av svarta hål av stjärnor.

Det är möjligt att paret kan erövra det sista avståndet via en annan galaxsammanslagning, vilket skulle injicera systemet med ytterligare material, eller potentiellt ett tredje svart hål, för att sakta ner parets omloppsbana tillräckligt mycket för att smälta samman. Men med tanke på B2 0402+379:s status som ett fossilt kluster är en annan galaktisk sammanslagning osannolik.

"Vi ser fram emot uppföljande undersökningar av B2 0402+379s kärna där vi kommer att titta på hur mycket gas som finns", säger Tirth Surti, Stanford-student och huvudförfattare på tidningen. "Detta borde ge oss mer insikt om huruvida de supermassiva svarta hålen så småningom kan smälta samman eller om de kommer att förbli strandade som en binär."

Mer information: Tirth Surti et al, The Central Kinematics and Black Hole Mass of 4C+37.11, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad14fa

Tillhandahålls av National Science Foundation