Astronomowie dokonali rzadkiego odkrycia we wczesnym Wszechświecie, w którym dwie aktywnie karmiące się supermasywne czarne dziury są na skraju kolosalnej kolizji.
Korzystając z zestawu kosmicznych i naziemnych teleskopów badacze znaleźli parę czarnych dziur osadzonych w dwóch galaktykach, które połączyły się, gdy Wszechświat miał zaledwie 3 miliardy lat. Wyniki badań prowadzonych przez naukowców z University of Illinois w Urbana-Champaign zostały opublikowane w czasopiśmie Nature.
Znalezienie takiego układu jest trudne z powodu wyzwania, jakim jest rozróżnienie dwóch czarnych dziur jako obiektów indywidualnych, gdy znajdują się one tak blisko siebie. Jednak w tym konkretnym układzie, nazwanym J0749+2255, obie czarne dziury pochłaniały gaz i pył, które rozgrzały się do tak wysokiej temperatury, że duet stworzył w efekcie olbrzymi pokaz kosmicznych fajerwerków. Ta aktywność nazywana jest kwazarem, zjawiskiem, które występuje, gdy czarne dziury emitują ogromną ilość promieniowania w całym spektrum elektromagnetycznym podczas pożywiania się okoliczną galaktyczną materią.
J0749+2255 jest przy tym bardzo niezwykły, ponieważ układ ten ma nie jeden, ale dwa kwazary, które są aktywne w tym samym czasie i znajdują się na tyle blisko siebie, że ostatecznie muszą się połączyć.
Nie widzimy zbyt wielu podwójnych kwazarów w tak wczesnym okresie istnienia Wszechświata. Dlatego to odkrycie jest tak ekscytujące – powiedział doktorant Yu-Ching Chen z University of Illinois w Urbana-Champaign, główny autor tego badania.
Sonda kosmiczna Gaia jako pierwsza wykryła nierozdzielony układ podwójny kwazarów, rejestrując obrazy wskazujące na dwa blisko siebie ustawione punkty światła w młodym Wszechświecie. Chen i jego zespół wykorzystali następnie Kosmiczny Teleskop Hubble’a, aby zweryfikować, czy punkty światła rzeczywiście pochodzą od pary supermasywnych czarnych dziur.
Następnie przeprowadzono obserwacje na wielu długościach fal, wykorzystując w tym celu kamery bliskiej podczerwieni na teleskopach Obserwatorium Kecka na Hawajach (NIRC2) w połączeniu z systemem optyki adaptacyjnej, a także teleskopem Gemini North, obserwatorium rentgenowskiego Chandra i siecią radioteleskopów Very Large Array w Nowym Meksyku. Ostatecznie naukowcy potwierdzili, że zaobserwowany wcześniej podwójny kwazar nie był dwoma obrazami tego samego kwazara powstałymi w wyniku soczewkowania grawitacyjnego.
Proces potwierdzenia nie był łatwy i potrzebowaliśmy szeregu teleskopów obejmujących widmo od promieniowania rentgenowskiego aż do radiowego, aby ostatecznie potwierdzić, że ten układ jest rzeczywiście parą kwazarów, a nie, powiedzmy, dwoma obrazami kwazara soczewkowanego grawitacyjnie – dodaje współautor badań, Yue Shen z University of Illinois.
Ponieważ teleskopy zaglądają w bardzo odległą przeszłość, ten podwójny kwazar zapewne już nie istnieje. W ciągu 10 miliardów lat jego macierzyste galaktyki prawdopodobnie połączyły się i uformowały olbrzymią galaktykę eliptyczną, taką jak te, które widzimy dzisiaj w lokalnym Wszechświecie. A centralne kwazary dawnych galaktyk połączyły się w gigantyczną, supermasywną czarną dziurę, leżącą odtąd w jej centrum.
Pobliska nam, olbrzymia galaktyka eliptyczna M87 także posiada monstrualną czarną dziurę o masie około 6,5 miliarda razy większej od masy naszego Słońca. Być może także ta czarna dziura urosła tak na skutek jednej lub więcej fuzji galaktyk – procesów ich łączenia się ze sobą, które zaszły w ciągu ostatnich miliardów lat. Mamy coraz więcej dowodów na to, że duże galaktyki powstają w wyniku takich fuzji. Mniejsze kosmiczne układy materii łączą się, tworząc większe układy i coraz większe struktury. Podczas tego procesu w łączących się galaktykach powinny powstawać pary supermasywnych czarnych dziur.
Wiedza o populacji prekursorów czarnych dziur ostatecznie powie nam więcej o pojawieniu się supermasywnych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie oraz o tym, jak częste mogą być takie połączenia – podsumowuje Chen.
Zaczynamy odsłaniać ten czubek góry lodowej populacji wczesnych podwójnych kwazarów – dodaje współautor pracy Xin Liu (University of Illinois). Na tym polega wyjątkowość tego badania. W rzeczywistości mówi nam ono, że ta populacja istnieje, a dodatkowo teraz mamy metodę identyfikacji podwójnych kwazarów, które przestrzennie dzieli mniej niż rozmiar pojedynczej galaktyki.
Więcej informacji:
- A Dual Quasar Shines Light On Two Supermassive Black Holes On A Collision Course Inside A Galaxy Merger
- A close quasar pair in a disk–disk galaxy merger at z = 2.17
Źródło: Keck Observatory
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Na ilustracji: Wizja artystyczna ukazująca jasny blask dwóch kwazarów znajdujących się w jądrach dwóch galaktyk, które są w chaotycznym procesie łączenia się ze sobą. Źródło: NASA, ESA, Joseph Olmsted (STScI)
