Przez dziesięciolecia astronomowie wiedzieli, że supermasywne czarne dziury (SMBH) znajdują się w centrum większości masywnych galaktyk. Te czarne dziury, od setek tysięcy do miliardów mas Słońca, wywierają silny wpływ na otaczającą materię i są uważane za przyczynę aktywnych jąder galaktycznych (AGN). Odkąd astronomowie o nich wiedzieli, starali się zrozumieć, w jaki sposób powstają i ewoluują SMBH.
W dwóch niedawno opublikowanych badaniach dwa międzynarodowe zespoły badaczy informują o odkryciu pięciu nowo odkrytych par czarnych dziur w centrach odległych galaktyk. Odkrycie to może pomóc astronomom rzucić nowe światło na sposób powstawania i rozwoju SMBH w czasie, nie wspominając już o tym, jak połączenia czarnych dziur wytwarzają najsilniejsze fale grawitacyjne we Wszechświecie.
Pierwszych czterech kandydatów na dwie czarne dziury zgłoszono w badaniu zatytułowanym „Pochowane AGN w zaawansowanych fuzjach: wybór koloru w średniej podczerwieni jako podwójny wizjer AGN”, którym kierowała Shobita Satyapal, profesor astrofizyki na George Mason University. Niniejsze badanie zostało zaakceptowane do publikacji w The Astrophysical Journal i ostatnio pojawił się online.
Drugim badaniem, w którym zgłoszono piątego kandydata do podwójnej czarnej dziury, była prowadzona przez Sarah Ellison - profesor astrofizyki na Uniwersytecie Wiktorii. Został niedawno opublikowany w Miesięczne zawiadomienia Royal Astronomical Society pod tytułem „Discovery of Dual Active Galactic Nucleus with ~ 8 kpc Separation”. Odkrycie tych pięciu par czarnych dziur było bardzo przypadkowe, biorąc pod uwagę, że pary są bardzo rzadkim znaleziskiem.
Jak wyjaśniła Shobita Satyapal w komunikacie prasowym Chandra:
„Astronomowie znajdują pojedyncze supermasywne czarne dziury w całym wszechświecie. Ale chociaż przewidywaliśmy, że gwałtownie rosną podczas interakcji, trudno było znaleźć podwójne supermasywne czarne dziury.“
Pary czarnych dziur zostały odkryte przez połączenie danych z wielu różnych instrumentów naziemnych i kosmicznych. Obejmowały one dane optyczne z Sloan Digital Sky Survey (SDSS) i naziemnego Dużego Lornetki Teleskopu (LBT) w Arizonie z danymi w bliskiej podczerwieni z Wide-Field Infrared Survey Explorer (WISE) oraz dane rentgenowskie z Chandra NASA Obserwatorium rentgenowskie.
Ze względu na swoje badania Satyapal, Ellison i ich zespoły starali się wykryć podwójne AGN, które są uważane za konsekwencję galaktycznych fuzji. Zaczęli od sprawdzenia danych optycznych z SDSS w celu zidentyfikowania galaktyk, które wydawały się być w trakcie łączenia. Dane z badania WISE dla całego nieba zostały następnie wykorzystane do zidentyfikowania galaktyk, które wykazały najpotężniejsze AGN.
Następnie skonsultowali dane z zaawansowanego spektrometru obrazującego Chandra CCD (ACIS) i LBT, aby zidentyfikować siedem galaktyk, które wydawały się być w zaawansowanym stadium fuzji. Badanie prowadzone przez Ellisona opierało się również na danych optycznych dostarczonych przez badanie Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory (MaNGA) w celu ustalenia jednej z nowych par czarnych dziur.
Na podstawie połączonych danych odkryli, że pięć z siedmiu łączących się galaktyk zawierało możliwe podwójne AGN, które dzieliło mniej niż 10 kiloparseków (ponad 30 000 lat świetlnych). Dowodem na to są dane w podczerwieni dostarczone przez WISE, co było zgodne z przewidywaniami dotyczącymi szybko rosnących supermasywnych czarnych dziur.
Ponadto dane Chandra wykazały ściśle odseparowane pary źródeł promieniowania rentgenowskiego, co jest również zgodne z czarnymi dziurami, które powoli gromadzą na nich materię. Dane w podczerwieni i promieniach rentgenowskich sugerują również, że supermasywne czarne dziury są zakopane w dużych ilościach pyłu i gazu. Jak wskazał Ellison, odkrycia te były wynikiem żmudnej pracy, która polegała na sortowaniu danych według wielu długości fal:
„Nasze prace pokazują, że połączenie selekcji w podczerwieni z kontrolą rentgenowską jest bardzo skutecznym sposobem na znalezienie tych par czarnych dziur. Promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie podczerwone są w stanie przenikać zaciemniające chmury gazu i pyłu otaczające te pary czarnych dziur, a ich rozdzielenie wymaga ostrego widzenia Chandry ”.
Przed tym badaniem na podstawie badań rentgenowskich potwierdzono mniej niż dziesięć par rosnących czarnych dziur, które były w większości przypadkowe. Ta ostatnia praca, która wykryła pięć par czarnych dziur przy użyciu połączonych danych, była zatem zarówno pomyślna, jak i znacząca. Oprócz wzmocnienia hipotezy, że supermasywne czarne dziury powstają z połączenia mniejszych czarnych dziur, badania te mają również poważne implikacje dla badań fali grawitacyjnej.
„Ważne jest, aby zrozumieć, jak powszechne są supermasywne pary czarnych dziur, aby pomóc w przewidywaniu sygnałów dla obserwatoriów fal grawitacyjnych”, powiedział Satyapa. „Ponieważ eksperymenty już istnieją, a przyszłe będą dostępne online, jest to ekscytujący czas na badanie łączenia czarnych dziur. Jesteśmy w początkowej fazie nowej ery eksploracji wszechświata. ”
Od 2016 r. Urządzenia takie jak Laser Interferometr Gravitational-Wave Observatory (LIGO) i VIRGO Observatory wykryły cztery przypadki fal grawitacyjnych. Jednak te wykrycia były wynikiem połączenia czarnych dziur, w których wszystkie czarne dziury były mniejsze i mniej masywne - od ośmiu do 36 mas Słońca.
Z drugiej strony, supermasywne czarne dziury są znacznie masywniejsze i prawdopodobnie będą wytwarzać znacznie większą sygnaturę fali grawitacyjnej, gdy będą się coraz bardziej zbliżać do siebie. A za kilkaset milionów lat, kiedy te pary w końcu się połączą, energia wytworzona przez masę przekształconą w fale grawitacyjne będzie niewiarygodna.
Obecnie detektory takie jak LIGO i Virgo nie są w stanie wykryć fal grawitacyjnych wytwarzanych przez pary Supermasywnej Czarnej Dziury. Pracę wykonują takie tablice, jak Północnoamerykańskie Obserwatorium Nanohercowe dla Fal Grawitacyjnych (NANOGrav), które polega na precyzyjnych pulsarach milisekundowych do pomiaru wpływu fal grawitacyjnych na czasoprzestrzeń.
Oczekuje się także, że pomoc w poszukiwaniach ma zaproponować kosmiczna antena laserowa interferometru (LISA), która będzie pierwszym dedykowanym kosmicznym detektorem fal grawitacyjnych. W międzyczasie badania fal grawitacyjnych już odniosły ogromne korzyści ze współpracy, takiej jak ta, która istnieje między Advanced LIGO i Advanced Virgo.
W przyszłości naukowcy przewidują także, że będą mogli badać wnętrza supernowych poprzez badania fal grawitacyjnych. To prawdopodobnie ujawni wiele informacji na temat mechanizmów powstawania czarnej dziury. Pomiędzy tymi ciągłymi wysiłkami a przyszłym rozwojem możemy spodziewać się, że „usłyszymy” znacznie więcej Wszechświata i najpotężniejszych sił w nim działających.
Koniecznie sprawdź tę animację, która pokazuje, jak będzie wyglądać ewentualne połączenie dwóch tych czarnych dziur, dzięki uprzejmości Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra:
