Dane z Gemini North dostarczają możliwego wyjaśnienia dla wstrzymanej fuzji podwójnej supermasywnej czarnej dziury.
Zespół astronomów wykorzystał archiwalne dane z teleskopu Gemini North do zmierzenia najcięższej pary supermasywnych czarnych dziur, jaką kiedykolwiek odkryto. Łączenie się dwóch supermasywnych czarnych dziur jest zjawiskiem, które od dawna przewidywano, lecz nigdy nie obserwowano. Ta ogromna para dostarcza wskazówek, dlaczego takie zdarzenie wydaje się tak mało prawdopodobne we Wszechświecie.
Prawie każda masywna galaktyka zawiera w swoim centrum supermasywną czarną dziurę. Kiedy dwie galaktyki łączą się, ich czarne dziury mogą utworzyć parę podwójną, co oznacza, że znajdują się one na powiązanej orbicie. Istnieje hipoteza, że te układy podwójne są skazane na ostateczne połączenie, lecz nigdy dotąd nie zaobserwowano takiego zdarzenia. Pytanie, czy taka możliwość istnieje, stanowi temat dyskusji wśród astronomów od dziesięcioleci. W niedawno opublikowanym artykule w The Astrophysical Journal, zespół astronomów przedstawił nowe spojrzenie na tę kwestię.
Zespół wykorzystał dane z teleskopu Gemini North na Hawajach do analizy podwójnej supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w galaktyce eliptycznej B2 0402+379. Jest to jedyna supermasywna czarna dziura w układzie podwójnym, którą kiedykolwiek udało się dostrzec na tyle szczegółowo, by móc zobaczyć oba obiekty oddzielnie. Jest także rekordzistką pod względem najmniejszej separacji składników, jaką kiedykolwiek bezpośrednio zmierzono – zaledwie 24 lata świetlne. Mimo tak bliskiej separacji, przewidywane potężne połączenie nie nastąpiło, ponieważ dalsze badania wykazały, że para ta pozostaje w tej odległości od ponad trzech miliardów lat. To prowokuje pytanie: co utrzymuje tę konfigurację?
Aby lepiej zrozumieć dynamikę tego układu i jego zatrzymanej fuzji, zespół spojrzał na archiwalne dane z 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 – powiedział Roger Romani, profesor fizyki na Uniwersytecie Stanforda i współautor artykułu. Dzięki temu byliśmy w stanie określić całkowitą masę znajdujących się tam czarnych dziur.
Zespół oszacował masę układu podwójnego na aż 28 miliardów mas Słońca, co czyni tę parę najcięższą podwójną czarną dziurą, jaką kiedykolwiek zmierzono. Ten pomiar nie tylko przynosi cenny kontekst dotyczący formowania się układu podwójnego i historii jego galaktyki macierzystej, ale także potwierdza istniejącą od dawna teorię, że masa supermasywnej czarnej dziury w układzie podwójnym odgrywa kluczową rolę w opóźnianiu potencjalnego połączenia.
Zrozumienie, w jaki sposób ten układ podwójny powstał, może pomóc przewidzieć, czy i kiedy nastąpi jego połączenie – a kilka wskazówek sugeruje, że para ta powstała w wyniku wielokrotnego łączenia się galaktyk. Pierwszą z nich jest 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 sugeruje, że powstały one w wyniku połączenia wielu mniejszych czarnych dziur z różnych galaktyk.
Po połączeniu galaktyk supermasywne czarne dziury nie zderzają się czołowo. Zamiast tego zaczynają się mijać, osiadając na ograniczonych orbitach. Przy każdym przejściu energia jest przenoszona z czarnych dziur do otaczających je gwiazd. Tracąc energię, para jest przyciągana coraz bliżej, aż dzielą je zaledwie lata świetlne, gdzie oddziałująca grawitacja przejmie kontrolę i czarne dziury połączą się. Proces ten zaobserwowano bezpośrednio w parach czarnych dziur o masach gwiazdowych – pierwszy zarejestrowany przypadek miał miejsce w 2015 roku poprzez wykrycie fal grawitacyjnych – ale nigdy w układzie podwójnym supermasywnych czarnych dziur.
Dzięki nowym ustaleniom dotyczącym olbrzymiej masy tego układu, zespół doszedł do wniosku, że potrzebna byłaby wyjątkowo duża liczba gwiazd, aby spowolnić orbitę układu podwójnego na tyle, by zbliżyć je do siebie. Okazuje się, że w trakcie tego procesu czarne dziury wyrzuciły niemal całą materię znajdującą się w ich pobliżu, pozostawiając jądro galaktyki pozbawione gwiazd i gazu. Ponieważ nie ma już dostępnej materii do dalszego spowolnienia orbit pary, ich fuzja utknęła w końcowej fazie.
Zwykle wydaje się, że galaktyki z lżejszymi parami czarnych dziur mają wystarczająco dużo gwiazd i masy, aby szybko się połączyć – powiedział Romani. Ponieważ ta para jest tak ciężka, wymagało to wielu gwiazd i gazu, aby wykonać zadanie. Jednak układ podwójny oczyścił centralną galaktykę z takiej materii, pozostawiając ją w bezruchu i udostępniając do naszych badań.
Nie wiadomo jeszcze, czy para przezwycięży stagnację i ostatecznie połączy się w skali milionów lat, czy też pozostanie w orbitalnym zawieszeniu na zawsze. Jeżeli się połączą, powstałe fale grawitacyjne byłyby sto milionów razy silniejsze niż te wytwarzane przez fuzje czarnych dziur o masie gwiazdowej. Niewykluczone, że para ta mogłaby pokonać tę odległość dzięki kolejnej fuzji galaktyk, która zasiliłaby układ dodatkową materią lub potencjalnie trzecią czarną dziurą, która spowolniłaby orbitę pary na tyle, by doszło do połączenia. Biorąc jednak pod uwagę status B2 0402+379 jako gromady kopalnej, kolejna fuzja galaktyk jest mało prawdopodobna.
Z niecierpliwością czekamy na dalsze badania jądra B2 0402+379, podczas których sprawdzimy, ile gazu jest w nim obecne – powiedział Tirth Surti, student Stanforda i główny autor artykułu. Powinno to dać nam lepszy wgląd w to, czy supermasywne czarne dziury mogą się ostatecznie połączyć, czy też pozostaną na uwięzi jako układ podwójny.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Astronomers Measure Heaviest Black Hole Pair Ever Found
- The Central Kinematics and Black Hole Mass of 4C+37.11
Źródło: NOIRLab
Na ilustracji: Wizja artystyczna najcięższej pary supermasywnych czarnych dziur. Źródło: NOIRLab/NSF/AURA/J. daSilva/M. Zamani
