Voor de eerste keer, een team van astronomen heeft verschillende paren sterrenstelsels waargenomen in de laatste stadia van samensmelten tot enkele, grotere sterrenstelsels. Kijkend door dikke muren van gas en stof die de rommelige kernen van de samensmeltende sterrenstelsels omringen, het onderzoeksteam legde paren superzware zwarte gaten vast - die elk ooit het centrum van een van de twee oorspronkelijke kleinere sterrenstelsels bezetten - die dichter bij elkaar kwamen voordat ze samensmolten tot één gigantisch zwart gat.

Onder leiding van Michael Koss, alumnus van de Universiteit van Maryland (MS '07, doctoraat '11, astronomie), een onderzoekswetenschapper bij Eureka Scientific, Inc., met bijdragen van UMD-astronomen, het team onderzocht honderden nabijgelegen sterrenstelsels met behulp van beelden van de W.M. Keck Observatory in Hawaii en NASA's Hubble Space Telescope. De Hubble-waarnemingen vertegenwoordigen meer dan 20 jaar aan beelden uit het lange archief van de telescoop. Het team beschreef hun bevindingen in een onderzoekspaper gepubliceerd op 8 november, 2018, in het journaal Natuur .

"Het was behoorlijk verbazingwekkend om de paren van samensmeltende melkwegkernen geassocieerd met deze enorme zwarte gaten zo dicht bij elkaar te zien, " zei Koss. "In onze studie, we zien twee melkwegkernen precies op het moment dat de beelden werden gemaakt. Je kunt er niet tegenin gaan; het is een heel 'schoon' resultaat, die niet afhankelijk is van interpretatie."

De afbeeldingen met hoge resolutie bieden ook een close-upvoorbeeld van een fenomeen waarvan astronomen vermoeden dat het vaker voorkwam in het vroege heelal, toen melkwegfusies vaker voorkwamen. Als de zwarte gaten eindelijk botsen, ze zullen krachtige energie ontketenen in de vorm van zwaartekrachtgolven - rimpelingen in de ruimtetijd die onlangs voor het eerst zijn gedetecteerd door de dubbele Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) -detectoren.

De afbeeldingen voorspellen ook wat er waarschijnlijk over een paar miljard jaar zal gebeuren, wanneer ons Melkwegstelsel samensmelt met het naburige Andromedastelsel. Beide sterrenstelsels bevatten superzware zwarte gaten in hun centrum, die uiteindelijk samensmelten en samensmelten tot één groter zwart gat.

Het team werd geïnspireerd door een Hubble-afbeelding van twee op elkaar inwerkende sterrenstelsels die gezamenlijk NGC 6240 worden genoemd, die later diende als een prototype voor de studie. Het team zocht eerst naar visueel verduisterde, actieve zwarte gaten door 10 jaar aan röntgengegevens van de Burst Alert Telescope (BAT) aan boord van NASA's Neil Gehrels Swift Observatory te doorzoeken.

"Het voordeel van het gebruik van Swift's BAT is dat het energierijke, 'harde' röntgenfoto's, " zei studie co-auteur Richard Mushotzky, een professor in de astronomie aan de UMD en een fellow van het Joint Space-Science Institute (JSI). "Deze röntgenstralen dringen door de dikke wolken van stof en gas die actieve sterrenstelsels omringen, waardoor de BAT dingen kan zien die letterlijk onzichtbaar zijn op andere golflengten."

De onderzoekers kamden vervolgens het Hubble-archief door, inzoomen op de samensmeltende sterrenstelsels die ze in de röntgengegevens zagen. Vervolgens gebruikten ze de superscherpe, nabij-infraroodzicht om een ​​grotere steekproef van de röntgenproducerende zwarte gaten te observeren die niet in het Hubble-archief zijn gevonden.

Het team richtte zich op sterrenstelsels die zich gemiddeld op 330 miljoen lichtjaar van de aarde bevinden, relatief dichtbij in kosmische termen. Veel van de sterrenstelsels zijn qua grootte vergelijkbaar met de Melkweg en de Andromeda-sterrenstelsels. In totaal, het team analyseerde 96 sterrenstelsels die werden waargenomen met de Keck-telescoop en 385 sterrenstelsels uit het Hubble-archief.

Hun resultaten suggereren dat meer dan 17 procent van deze sterrenstelsels een paar zwarte gaten in hun centrum herbergen, die zijn opgesloten in de late stadia van steeds dichter naar elkaar toe spiraliseren voordat ze samensmelten tot een enkele, ultra-massief zwart gat. De onderzoekers waren verrast om zo'n hoog percentage fusies in een laat stadium te vinden, omdat de meeste simulaties suggereren dat paren van zwarte gaten heel weinig tijd in deze fase doorbrengen.

Om hun resultaten te controleren, de onderzoekers vergeleken de onderzoekssterrenstelsels met een controlegroep van 176 andere sterrenstelsels uit het Hubble-archief die geen actief groeiende zwarte gaten hebben. In deze groep, slechts ongeveer één procent van de onderzochte sterrenstelsels werden verdacht van het huisvesten van paren zwarte gaten in de latere stadia van samensmelten.

Deze laatste stap hielp de onderzoekers te bevestigen dat de lichtgevende galactische kernen die werden gevonden in hun telling van stoffige interagerende sterrenstelsels inderdaad een kenmerk zijn van snelgroeiende zwart-gatparen die op weg zijn naar een botsing. Volgens de onderzoekers is deze bevinding is consistent met theoretische voorspellingen, maar tot nu toe, was niet geverifieerd door directe waarnemingen.

"Mensen hadden eerder onderzoek gedaan naar deze nauw op elkaar inwerkende zwarte gaten, maar wat deze specifieke studie echt mogelijk maakte, waren de röntgenstralen die door de cocon van stof kunnen breken, " legde Koss uit. "We keken ook wat verder in het heelal, zodat we een groter volume van de ruimte konden overzien, waardoor we een grotere kans hebben om meer lichtgevend te vinden, snelgroeiende zwarte gaten."

Het is niet eenvoudig om galactische kernen zo dicht bij elkaar te vinden. De meeste eerdere waarnemingen van samensmeltende sterrenstelsels hebben de samenvloeiende zwarte gaten in eerdere stadia opgevangen, toen ze ongeveer 10 keer verder weg waren. De late fase van het fusieproces is zo ongrijpbaar omdat de op elkaar inwerkende sterrenstelsels zijn ingepakt in dicht stof en gas, die waarnemingen met zeer hoge resolutie vereisen die door de wolken kunnen kijken en de twee samensmeltende kernen kunnen lokaliseren.

"Computersimulaties van ineenstortingen van sterrenstelsels laten ons zien dat zwarte gaten het snelst groeien tijdens de laatste stadia van fusies, in de buurt van de tijd dat de zwarte gaten op elkaar inwerken, en dat is wat we hebben gevonden in onze enquête, " zei Laura Blecha, een assistent-professor natuurkunde aan de Universiteit van Florida en een co-auteur van de studie. Blecha was een JSI Prize Postdoctoral Fellow in de UMD Department of Astronomy voordat hij in 2017 bij de UF-faculteit kwam. zo monsterlijk groot zijn."

Toekomstige infraroodtelescopen zoals NASA's langverwachte James Webb Space Telescope (JWST), gepland voor lancering in 2021, een nog beter zicht op fusies in stoffige, zwaar verduisterde sterrenstelsels. Voor nabijgelegen zwarte gatenparen, JWST moet ook in staat zijn om de massa's te meten, groeisnelheden en andere fysieke parameters voor elk zwart gat.

"Er kunnen andere objecten zijn die we hebben gemist. Zelfs met Hubble, veel nabije sterrenstelsels met een lage roodverschuiving kunnen niet worden opgelost - de twee kernen versmelten gewoon tot één, " zei co-auteur Sylvain Veilleux, een professor in de astronomie aan de UMD en een JSI Fellow. "Met JWST's hogere hoekresolutie en gevoeligheid voor infrarood, die door de stoffige kernen van deze sterrenstelsels kunnen gaan, zoeken naar deze objecten in de buurt moet gemakkelijk te doen zijn. Ook met JWST, zullen we grotere afstanden kunnen bereiken, om objecten met een hogere roodverschuiving te zien. Met deze waarnemingen we kunnen beginnen met het verkennen van de fractie van objecten die samensmelten in de jongste, meest afgelegen gebieden van het universum - die vrij frequent zouden moeten zijn."