Als drie sterrenstelsels botsen, wat gebeurt er met de enorme zwarte gaten in de centra van elk? Een nieuwe studie met behulp van NASA's Chandra X-ray Observatory en verschillende andere telescopen onthult nieuwe informatie over het aantal zwarte gaten dat furieus groeit na deze galactische ineenstortingen.

Astronomen willen meer te weten komen over galactische botsingen omdat de daaropvolgende fusies een belangrijke manier zijn waarop sterrenstelsels en de gigantische zwarte gaten in hun kernen in de loop van de kosmische tijd groeien.

"Er zijn veel studies gedaan naar wat er gebeurt met superzware zwarte gaten wanneer twee sterrenstelsels samensmelten, " zei Adi Foord van Stanford University, die de studie leidde. "De onze is een van de eersten die systematisch heeft gekeken naar wat er met zwarte gaten gebeurt als drie sterrenstelsels samenkomen."

Zij en haar collega's identificeerden drievoudige melkwegfusiesystemen door de archieven - met gegevens die nu openbaar beschikbaar zijn - van NASA's WISE-missie en de Sloan Digital Sky Survey (SDSS) te vergelijken met het Chandra-archief. Met behulp van deze methode vonden ze zeven drievoudige melkwegfusies tussen de 370 miljoen en een miljard lichtjaar van de aarde.

Met behulp van gespecialiseerde software die Foord voor haar Ph.D. aan de Universiteit van Michigan in Ann Arbor, het team ging door Chandra-gegevens die gericht waren op deze systemen om röntgenbronnen te detecteren die de locatie van groeiende superzware zwarte gaten markeren. Als materiaal in de richting van een zwart gat valt, het wordt verwarmd tot miljoenen graden en produceert röntgenstralen.

Chandra, met zijn scherpe röntgenzicht, is ideaal voor het detecteren van groeiende superzware zwarte gaten in fusies. De bijbehorende röntgenbronnen zijn moeilijk te detecteren omdat ze in afbeeldingen meestal dicht bij elkaar staan ​​en vaak zwak zijn. De software van Foord is speciaal ontwikkeld om dergelijke bronnen te vinden. Gegevens van andere telescopen werden vervolgens gebruikt om andere mogelijke oorsprongen van de röntgenstraling uit te sluiten die niets te maken hadden met superzware zwarte gaten.

De resultaten van Foord en het team laten zien dat van de zeven drievoudige melkwegfusies er één is met een enkel groeiend superzwaar zwart gat, vier met dubbel groeiende superzware zwarte gaten, en een die een triple is. De laatste drievoudige samensmelting die ze bestudeerden, lijkt te hebben plaatsgevonden zonder dat er röntgenstraling is gedetecteerd door de superzware zwarte gaten. In de systemen met meerdere zwarte gaten, de scheidingen tussen hen variëren tussen ongeveer 10, 000 en 30, 000 lichtjaren.

"Waarom geven we om het slagingspercentage van deze zwarte gaten?" zei co-auteur Jessie Runnoe van de Vanderbilt University in Nashville, Tenn. "Omdat deze statistieken ons meer kunnen vertellen over hoe zwarte gaten en de sterrenstelsels waarin ze leven groeien."

Toen ze eenmaal bewijs hadden gevonden voor heldere röntgenbronnen als kandidaten voor de groei van superzware zwarte gaten in de Chandra-gegevens, de onderzoekers verwerkten archiefgegevens van andere telescopen. Als een tweede scheidsrechter die overlegt over de oorspronkelijke beslissing, deze gegevens ondersteunden het idee dat er meerdere zwarte gaten aanwezig waren in de samengevoegde sterrenstelsels.

Om deze oproepen te doen, bestudeerden de auteurs infraroodgegevens van de WISE-missie, de infrarood astronomische satelliet, en de Two Micron All Sky Telescope om te zien hoe snel sterren zich vormen in de verschillende sterrenstelsels in hun onderzoek. Hierdoor konden ze inschatten hoeveel van de gedetecteerde röntgenstralen waarschijnlijk afkomstig zijn van röntgenstralingssystemen die massieve sterren bevatten, in plaats van een groeiend superzwaar zwart gat. Omdat dergelijke sterrenstelsels jong zijn, komen ze vaker voor wanneer sterren zich sneller vormen. Foord en haar collega's gebruikten deze techniek om te concluderen dat een van de röntgenbronnen die ze hebben gevonden waarschijnlijk afkomstig is van een verzameling röntgenstraling uitzendende stersystemen.

De gegevens van Chandra en WISE laten zien dat het systeem met groeiende superzware zwarte gaten de grootste hoeveelheid stof en gas bevat. Dit komt overeen met theoretische computersimulaties van fusies die suggereren dat hogere gasniveaus in de buurt van zwarte gaten waarschijnlijker zijn voor een snelle groei van de zwarte gaten.

Studies van drievoudige fusies kunnen wetenschappers helpen begrijpen of paren superzware zwarte gaten zo dicht bij elkaar kunnen komen dat ze rimpelingen maken in de ruimtetijd, zwaartekrachtgolven genoemd. De energie die door deze golven verloren gaat, zal er onvermijdelijk toe leiden dat de zwarte gaten samensmelten.

De Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) en Virgo-array in Europa hebben astronomen laten zien dat zwarte gaten van stellaire massa zwaartekrachtsgolven creëren en samensmelten, maar het is niet bekend of superzware zwarte gaten dat doen.

"Er is een "nachtmerriescenario" waarbij superzware zwarte gaten niet genoeg energie kunnen verliezen om dicht bij elkaar te komen en zwaartekrachtgolven te maken", zegt co-auteur Michael Koss van Eureka Scientific in Oakland, Californië. "Als dit het geval is, zullen projecten zoals LISA en pulsar-timing-arrays geen superzware samensmeltingen van zwarte gaten hebben om te detecteren".

Echter, gravitatie-interacties van een derde superzwaar zwart gat kunnen dit stilstandproces voorkomen. Studies van superzware zwarte gaten in systemen waar drie sterrenstelsels samensmelten, zijn daarom belangrijk om te begrijpen of het nachtmerriescenario van toepassing is.

Het systeem met drie groeiende superzware zwarte gaten was eerder gerapporteerd door Ryan Pfeifle van de George Mason University in Fairfax, Virginia in een Chandra-persbericht en een paper van oktober 2019 in Het astrofysische tijdschrift , en een team onder leiding van Xin Lui van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign in een paper van december 2019 in Het astrofysische tijdschrift . Dit laatste resultaat helpt die ontdekking in de context van andere drievoudige fusies van sterrenstelsels te plaatsen.

Foord presenteerde de nieuwe studie op de 237e bijeenkomst van de American Astronomical Society, die virtueel wordt gehouden van 11-15 januari, 2021. Twee artikelen die dit werk beschrijven, zijn onlangs geaccepteerd voor publicatie in Het astrofysische tijdschrift ..