Superzware zwarte gaten zijn de grootste zwarte gaten, met massa's die een miljard zonnen kunnen overschrijden. Alleen dit voorjaar de allereerste opname van het superzware zwarte gat in het centrum van het Messier 87-sterrenstelsel werd gemaakt, en onderzoekers hebben onlangs het grootste superzware zwarte gat ooit gezien. Ondanks deze baanbrekende inspanningen, uitzoeken hoe deze zwarte gaten de vorm en structuur van een melkwegstelsel aandrijven, blijft een uitdaging, omdat de meeste van hen te ver weg zijn om met de huidige telescopen nauwkeurig te kunnen worden opgelost.

Een studie gepubliceerd in Natuurastronomie beschrijft een nieuwe manier om superzware zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels te "wegen" door afstanden tussen naburige sterrenstelsels als een proxy te gebruiken. Het onderzoek was een wereldwijde samenwerking tussen onderzoekers van instellingen in het Verenigd Koninkrijk, Italië, Duitsland, Chili, en de Verenigde Staten, waaronder Penn faculteit Mariangela Bernardi en Ravi Sheth.

Het verkrijgen van een nauwkeurige schatting van de massa van een superzwaar zwart gat wordt meestal gedaan door de snelheid te meten van het stof en gas dat eromheen wervelt. Dit vereist extreem gevoelige telescopen met behulp van een complexe analyse, en kan alleen worden gedaan voor zwarte gaten die groot genoeg zijn om op te lossen en relatief dicht bij de aarde staan. Echter, als deze massa correleert met andere eigenschappen van het gaststelsel, die kunnen worden gemeten, zelfs als het zwarte gat kleiner of verder weg is, men kan deze andere eigenschappen gebruiken als "proxy's" voor massa.

Echter, legt Bernardi uit, "We realiseerden ons dat er een vertekening is in het nabijgelegen monster dat werd gebruikt om de massa's te kalibreren. De objecten waarvoor we momenteel massa's kunnen meten, lijken niet typerend te zijn. Ons werk suggereerde dat superzware zwarte gaten, gemiddeld, niet zo massief als eerder werd gedacht."

Om dit verschil in massa te verifiëren, de onderzoekers bedachten een nieuwe en heel andere manier om de massa's van zwarte gaten te schatten. Ze maakten gebruik van het feit dat terwijl een zwart gat wordt omringd door zijn gaststerrenstelsel, de melkweg zelf is omgeven door een nog grotere "halo" gemaakt van donkere materie. Het is bekend dat sterrenstelsels die worden omgeven door massievere halo's clusteren met andere grote, enorme sterrenstelsels. Omdat er meer massieve zwarte gaten bestaan ​​in massievere sterrenstelsels met meer massieve halo's, de clusteringsterkte "weegt" de halo's van donkere materie en, bij volmacht, de massa's van de zwarte gaten in hun centra.

Deze nieuwe meting suggereert ook dat superzware zwarte gaten minder massief zijn dan eerder werd gedacht, en zou kunnen verklaren waarom sommige lopende experimenten niet de verwachte resultaten hebben opgeleverd. Als een voorbeeld, pulsars, overblijfselen van ontplofte sterren, schijnen als zeer snel draaiende vuurtorens die honderden keren per seconde draaien. Licht van pulsars wordt uitgezonden in ongelooflijk korte, regelmatige intervallen terwijl de straal keer op keer langs de aarde strijkt. Onderzoekers zijn momenteel op zoek naar zwaartekrachtgolven die worden veroorzaakt door de botsing van twee superzware zwarte gaten, waardoor deze stralen naar en weg van de aarde zouden moeten dobberen terwijl de golf voorbijsnelt en de timing van de pulsen zou beïnvloeden.

Omdat de verwachte verschuivingen nog niet zichtbaar zijn, zegt Sheth, "Mensen begonnen zich zorgen te maken dat de zwaartekracht misschien raar is, of misschien begrijpen we de fysica van de fusies die de zwaartekrachtgolven veroorzaken niet volledig. Maar als de echte massa's van zwarte gaten kleiner zijn dan eerder werd gedacht, dan zouden de voorspelde zwaartekrachtsgolven zwakker zijn, waardoor de verschuivingen in pulsar timing moeilijker te detecteren zijn."

In de komende 10 jaar, nieuwe telescopen zullen naar verwachting in staat zijn om nauwkeurigere massametingen voor zwarte gaten te verkrijgen en onderzoekers de mogelijkheid te bieden om hun nieuwe methode te testen tegen grotere datasets. Voorzieningen zoals de Extreem Grote Telescoop, een 39-meter die gepland is om in 2025 te worden voltooid, kunnen onderzoekers in staat stellen om kleinere en verder weg gelegen zwarte gaten en hun gastheerstelsels rechtstreeks te meten.

"Deze bevindingen hebben belangrijke implicaties voor ons begrip van de evolutie en groei van superzware zwarte gaten, " zegt hoofdauteur Francesco Shankar. Bernardi voegt eraan toe dat dit werk onderzoekers ook in staat zal stellen het verband tussen superzware zwarte gatengroei en de evolutie van sterrenstelsels verder te bestuderen.