Widzenie podwójne: naukowcy odkrywają pary czarnych dziur

Źródło: X-ray: NASA/CXC/Univ. of Victoria/S.Ellison et al. & NASA/CXC/George Mason Univ./S.Satyapal et al.; Optical: SDSS

Astronomowie zidentyfikowali kolejne pary supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk. Odkrycie to może pomóc astronomom lepiej zrozumieć w jaki sposób rosną gigantyczne czarne dziury i jak mogą one emitować najsilniejsze fale grawitacyjne we Wszechświecie.

Nowe dowody obejmują pięć par supermasywnych czarnych dziur, z których każda charakteryzuje się masą milionów mas Słońca. Owe pary czarnych dziur powstały wskutek kolizji galaktyk, które z czasem się ze sobą łączyły, przez co ich supermasywne czarne dziury zaczęły się do siebie zbliżać.

Pary czarnych dziur zostały odkryte w danych zebranych za pomocą takich obserwatoriów jak Obserwatorium Rentgenowskie Chandra, Wide-Field Infrared Sky Explorer Survey (WISE) czy naziemny Wielki Teleskop Lornetkowy (LBT) w Arizonie.

„Astronomowie odkrywają pojedyncze supermasywne czarne dziury w całym Wszechświecie”, mówi Shobita Satyapa z George Mason University w Fairfax w Wirginii, która jest autorką jednego z dwóch artykułów opisujących te wyniki. „Choć przewidywaliśmy, że one rosną szybko gdy ze sobą oddziałują, rosnące podwójne supermasywne czarne dziury było niezwykle trudno znaleźć”.

Przed tymi badaniami znano mniej niż dziesięć par rosnących czarnych dziur i zazwyczaj były to przypadkowe odkrycia. Aby przeprowadzić systematyczne poszukiwania zespół badaczy musiał szczegółowo przeanalizować dane z teleskopów obserwujących niebo w różnych zakresach promieniowania.

Począwszy od projektu Galaxy Zoo badacze wykorzystali dane optyczne z przeglądu Sloan Digital Sky Survey (SDSS) do zidentyfikowania galaktyk, które potencjalnie wskazywały na obecnie zachodzące łączenie dwóch mniejszych galaktyk. Z tego zestawu następnie wybrano obiekty, w których odległość między centrami obu galaktyk w danych SDSS jest mniejsza niż 30 000 lat świetlnych, a dane w podczerwieni zebrane przez WISE zgadzają się z przewidywaniami dla gwałtownie rosnących supermasywnych czarnych dziur.

Dzięki zastosowaniu tej techniki odkryto siedem łączących się układów zawierających po co najmniej jednej supermasywnej czarnej dziurze. Ponieważ silne promieniowanie rentgenowskie jest oznaką obecności rosnącej supermasywnej czarnej dziury, Satyapal wraz ze współpracownikami obserwowali te układy za pomocą Chandry. Ciasno związane pary źródeł promieniowania rentgenowskiego odkryto w pięciu z tych układów, co wskazuje, że mogą się w nich znajdować po dwie rosnące supermasywne czarne dziury.

Zarówno dane rentgenowskie z Chandry jak i obserwacje w podczerwieni wskazują, że supermasywne czarne dziury skryte są w olbrzymich ilościach pyłu i gazu.

„Nasze prace wskazują, że połączenie obserwacji w podczerwieni z obserwacjami w zakresie rentgenowskim stanowi skuteczny sposób odkrywania tych par czarnych dziur”, mówi Sara Ellison z University of Victoria w Kanadzie, autorka drugiego artykułu opisującego odkrycie. „Promieniowanie rentgenowskie i podczerwone są w stanie przeniknąć przez przesłaniające nam źródło obłoki gazu i pyłu, a ostry wzrok Chandry pozwala nam je rozdzielić”.

Badania autorstwa Ellison wykorzystywały dodatkowe dane optyczne z przeglądu Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory (MaNGA) do zlokalizowania jednej z nowych par czarnych dziur. Jeden ze składników tej pary jet szczególnie ciekawy, ponieważ jego jasność w zakresie rentgenowskim jest najwyższą dotąd obserwowaną za pomocą Chandry.

Opisywane prace mają istotny wpływ na dopiero powstającą dziedzinę astrofizyki fal grawitacyjnych. Podczas gdy naukowcy z obserwatorium LIGO czy VIRGO odkryli sygnały wyemitowane przez łączące się czarne dziury, były to czarne dziury znacznie mniejsze – ich masa mieściła się w zakresie od około ośmiu do 36 mas Słońca.

Łączące się czarne dziury w centrach galaktyk są znacznie większe. Gdy te supermasywne czarne dziury zbliżają się do siebie, powinny zacząć emitować fale grawitacyjne. Ewentualne połączenie dwóch supermasywnych czarnych dziur za kilkaset milionów lat doprowadzi do powstania jeszcze większej czarnej dziury. Proces ten doprowadzi do wyemitowania niesamowitych ilości energii gdy część masy obu czarnych dziur zostanie przekształcona w fale grawitacyjne.

„Wiedza o tym jak często występują podwójne supermasywne czarne dziury pozwoli nam oszacować ilość sygnałów, które mogą rejestrować obserwatoria fal grawitacyjnych. Dzięki już działającym eksperymentom, jak i przyszłym – żyjemy w czasach niesamowicie ciekawych dla badaczy czarnych dziur. Znajdujemy się na wczesnym etapie nowej ery badania kosmosu”.

LIGO/VIRGO nie są w stanie wykrywać fal grawitacyjnych emitowanych przez pary supermasywnych czarnych dziur. Aktualnie ich poszukiwanie prowadzi North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav). W przyszłości takich fal będzie mogło poszukiwać obserwatorium LISA (Laser Interferometer Space Antenna).

Źródło: Chandra X-ray Center