Astronomowie zbadali najcięższą parę czarnych dziur, jaką kiedykolwiek zaobserwowano

Korzystając z archiwalnych danych z teleskopu Gemini North, astronomowie zbadali najcięższą parę supermasywnych czarnych dziur, jaką kiedykolwiek znaleziono. Łączenie się dwóch supermasywnych czarnych dziur jest zjawiskiem od dawna przewidywanym, choć nigdy nie zostało zaobserwowane.

Jak zaznaczają badacze z Uniwersytetu Stanforda, prawie każda masywna galaktyka posiada w swoim centrum supermasywną czarną dziurę. Gdy dwie galaktyki łączą się, ich czarne dziury mogą utworzyć parę binarną, co oznacza, że znajdują się one na orbicie związanej ze sobą. Istnieje hipoteza, że te układy podwójne są skazane na ostateczne połączenie, jednak nigdy tego nie zaobserwowano. Kwestia tego, czy takie zdarzenie jest możliwe, jest tematem dyskusji wśród astronomów od dziesięcioleci.

Astronomowie wykorzystali dane z teleskopu Gemini North na Hawajach, połowy Międzynarodowego Obserwatorium Gemini obsługiwanego przez NOIRLab NSF, do analizy supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w galaktyce eliptycznej B2 0402+379. Jest to jedyna supermasywna czarna dziura w układzie podwójnym, która została kiedykolwiek zaobserwowana na tyle szczegółowo, aby można było zobaczyć oba obiekty osobno, i jest rekordzistą pod względem najmniejszej separacji, jaką kiedykolwiek bezpośrednio zmierzono – zaledwie 24 lata świetlne. Podczas gdy tak bliska separacja zapowiada bardzo silne połączenie, dalsze badania ujawniły, że para utknęła w tej odległości przez ponad trzy miliardy lat. Badanie zostało opublikowane w The Astrophysical Journal.

Aby lepiej zrozumieć dynamikę tego układu i jego wstrzymaną fuzję, naukowcy przeanalizowali archiwalne dane z Gemini North’s Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS), które pozwoliły im określić prędkość gwiazd w pobliżu czarnych dziur.

„Doskonała czułość GMOS pozwoliła nam zmapować rosnące prędkości gwiazd w miarę zbliżania się do centrum galaktyki. Dzięki temu byliśmy w stanie określić całkowitą masę znajdujących się tam czarnych dziur” – tłumaczy Roger Romani, profesor fizyki na Uniwersytecie Stanforda i współautor badania.

Astronomowie oszacowali masę układu binarnego na 28 miliardów razy większą od masy Słońca, kwalifikując tę parę jako najcięższą binarną czarną dziurę, jaką kiedykolwiek zmierzono. Pomiar ten nie tylko nadaje cenny kontekst formowaniu się układu podwójnego i historii jego galaktyki macierzystej, ale także, jak zaznaczają badacze, potwierdza istniejącą od dawna teorię, że masa supermasywnej binarnej czarnej dziury odgrywa kluczową rolę w powstrzymywaniu potencjalnego połączenia.

Zrozumienie, w jaki sposób uformował się ten układ podwójny, zdaniem naukowców, może pomóc przewidzieć, czy i kiedy się połączy. Cześć danych wskazuje na to, że para ta powstała w wyniku wielokrotnego łączenia się galaktyk, świadczy o tym fakt, że B2 0402+379 jest „gromadą kopalną”, co oznacza, że powstała w wyniku połączenia się całej gromady gwiazd i gazu w jedną masywną galaktykę. Ponadto obecność dwóch supermasywnych czarnych dziur w połączeniu z ich dużą łączną masą wskazuje, że powstały one w wyniku połączenia wielu mniejszych czarnych dziur z wielu galaktyk.

Jak tłumaczą astronomowie, po połączeniu galaktyk supermasywne czarne dziury nie zderzają się czołowo. Zamiast tego zaczynają się mijać, osiadając na swoich orbitach. Przy każdym mijaniu się, energia jest przekazywana z tych obiektów do otaczających ich gwiazd. Tracąc energię czarne dziury zbliżają się do siebie, aż znajdą obiekty te będą dzielić zaledwie lata świetlne, do miejsca, w którym promieniowanie grawitacyjne przejmuje kontrolę i kosmiczne giganty połączą się. Proces ten został bezpośrednio zaobserwowany w parach czarnych dziur o masie gwiazdowej – pierwszy odnotowany przypadek miał miejsce w 2015 roku, został wykryty dzięki falom grawitacyjnym – ale nigdy nie zostało to potwierdzone w supermasywnej odmianie układu podwójnego.

Dzięki nowym danym astronomowie stwierdzili, że wyjątkowo duża liczba gwiazd byłaby potrzebna do spowolnienia orbity układu podwójnego na tyle, aby doprowadzić je do takiego zbliżenia. Badacze przewidują, że w trakcie tego procesu czarne dziury wyrzuciłyby niemal całą materię znajdującą się w ich pobliżu, pozostawiając jądro galaktyki pozbawione gwiazd i gazu. Nie mając więcej dostępnej materii do dalszego spowolnienia orbity pary.

„Zwykle wydaje się, że galaktyki z lżejszymi parami czarnych dziur mają wystarczająco dużo gwiazd i masy, aby szybko połączyć się ze sobą. Ponieważ ta para jest tak ciężka, wymagało to wielu gwiazd i gazu, aby wykonać zadanie. Ale układ podwójny oczyścił centralną galaktykę z takiej materii, pozostawiając ją w bezruchu i udostępniając do naszych badań” – twierdzi Romani.

Naukowcy nie potrafią stwierdzić, czy para przezwycięży stagnację i ostatecznie połączy się w perspektywie milionów lat, czy też pozostanie w orbitalnym zawieszeniu na zawsze. Jak zaznaczają astronomowie, jeśli się one połączą, powstałe fale grawitacyjne byłyby sto milionów razy silniejsze niż te wytwarzane przez fuzje czarnych dziur o masie gwiazdowej.

Emil Gołoś