Astronomen hebben een paar titanische zwarte gaten in de verte gezien die op een botsing afstevenen.

De massa van elk zwart gat is meer dan 800 miljoen keer die van onze zon. Terwijl de twee geleidelijk dichter bij elkaar komen in een doodsspiraal, ze zullen zwaartekrachtgolven gaan sturen die door de ruimte-tijd kabbelen. Die kosmische rimpelingen zullen zich voegen bij het tot nu toe onopgemerkte achtergrondgeluid van zwaartekrachtsgolven van andere superzware zwarte gaten.

Zelfs vóór de voorbestemde botsing, de zwaartekrachtsgolven die afkomstig zijn van het superzware zwarte gatenpaar zullen de golven die eerder werden gedetecteerd door de samensmeltingen van veel kleinere zwarte gaten en neutronensterren in de schaduw stellen.

"Superzware dubbelsterren van zwarte gaten produceren de luidste zwaartekrachtsgolven in het universum, " zegt mede-ontdekker Chiara Mingarelli, een associate research scientist bij het Centre for Computational Astrophysics van het Flatiron Institute in New York City. Zwaartekrachtgolven van paren van superzware zwarte gaten "zijn een miljoen keer luider dan die gedetecteerd door LIGO."

De studie werd geleid door Andy Goulding, een associate research scientist aan de Princeton University. Goulding, Mingarelli en medewerkers van Princeton en het U.S. Naval Research Laboratory in Washington, gelijkstroom, meld de ontdekking 10 juli in De Astrofysische journaalbrieven .

De twee superzware zwarte gaten zijn vooral interessant omdat ze zich op ongeveer 2,5 miljard lichtjaar van de aarde bevinden. Aangezien het kijken naar verre objecten in de astronomie is als terugkijken in de tijd, het paar behoort tot een universum dat 2,5 miljard jaar jonger is dan het onze. Toevallig, dat is ongeveer dezelfde hoeveelheid tijd die de astronomen schatten dat de zwarte gaten nodig hebben om krachtige zwaartekrachtgolven te produceren.

In het huidige universum, de zwarte gaten zenden deze zwaartekrachtsgolven al uit, maar zelfs met de lichtsnelheid zullen de golven ons miljarden jaren niet bereiken. Het duo is nog steeds nuttig, Hoewel. Hun ontdekking kan wetenschappers helpen inschatten hoeveel nabijgelegen superzware zwarte gaten zwaartekrachtsgolven uitzenden die we nu zouden kunnen detecteren.

Het detecteren van de achtergrond van de zwaartekrachtgolf zal helpen bij het oplossen van enkele van de grootste onbekenden in de astronomie, zoals hoe vaak sterrenstelsels samensmelten en of paren van superzware zwarte gaten überhaupt samensmelten of vast komen te zitten in een bijna eindeloze wals om elkaar heen.

"Het is een grote schande voor de astronomie dat we niet weten of superzware zwarte gaten samensmelten, " zegt co-auteur van de studie Jenny Greene, een professor in de astrofysische wetenschappen aan Princeton. "Voor iedereen in de natuurkunde van zwarte gaten, observerend is dit een al lang bestaande puzzel die we moeten oplossen."

Superzware zwarte gaten bevatten miljoenen of zelfs miljarden zonnen aan massa. Bijna alle sterrenstelsels, inclusief de Melkweg, bevatten ten minste één van de kolossen in hun kern. Als sterrenstelsels samensmelten, hun superzware zwarte gaten ontmoeten elkaar en beginnen om elkaar heen te draaien. Overuren, deze baan wordt strakker als gas en sterren tussen de zwarte gaten passeren en energie stelen.

Zodra de superzware zwarte gaten dichtbij genoeg komen, Hoewel, deze energiediefstal stopt bijna. Sommige theoretische studies suggereren dat zwarte gaten dan ongeveer 1 parsec (ongeveer 3,2 lichtjaar) uit elkaar liggen. Deze vertraging duurt bijna onbeperkt en staat bekend als het laatste parsec-probleem. In dit scenario, alleen zeer zeldzame groepen van drie of meer superzware zwarte gaten leiden tot fusies.

Astronomen kunnen niet zomaar naar vastgelopen paren zoeken, want lang voordat de zwarte gaten 1 parsec van elkaar verwijderd zijn, ze zijn te dichtbij om te onderscheiden als twee afzonderlijke objecten. Bovendien, ze produceren geen sterke zwaartekrachtsgolven totdat ze de laatste-parsec hindernis overwinnen en dichter bij elkaar komen. (Geobserveerd zoals ze 2,5 miljard jaar geleden waren, de nieuw ontdekte superzware zwarte gaten verschijnen ongeveer 430 parsec van elkaar.)

Als het laatste parsec-probleem niet bestaat, dan verwachten astronomen dat het heelal gevuld is met het geraas van zwaartekrachtsgolven van superzware zwarte gatenparen. "Dit geluid wordt de achtergrond van de zwaartekrachtgolf genoemd, en het is een beetje als een chaotisch koor van krekels die sjirpen in de nacht, " zegt Goulding. "Je kunt de ene krekel niet van de andere onderscheiden, maar het volume van de ruis helpt je in te schatten hoeveel krekels er zijn." (Als twee superzware zwarte gaten uiteindelijk botsen en combineren, ze zenden een donderend getjilp uit dat alle anderen in de schaduw stelt. Zo'n gebeurtenis is kort en buitengewoon zeldzaam, Hoewel, dus wetenschappers verwachten er niet snel een te ontdekken.)

De zwaartekrachtsgolven die worden gegenereerd door superzware zwarte gatenparen liggen buiten de frequenties die momenteel worden waargenomen door experimenten zoals LIGO en Virgo. In plaats daarvan, Zwaartekrachtsgolfjagers vertrouwen op arrays van speciale sterren, pulsars genaamd, die werken als metronomen. De snel draaiende sterren zenden in een vast ritme radiogolven uit. Als een passerende zwaartekrachtgolf de ruimte tussen de aarde en de pulsar uitrekt of comprimeert, het ritme wordt een beetje weggegooid.

Het detecteren van de zwaartekrachtsgolfachtergrond met behulp van een van deze pulsar-timingarrays vergt geduld en veel gecontroleerde sterren. Het ritme van een enkele pulsar kan in een decennium met slechts een paar honderd nanoseconden worden verstoord. Hoe luider het achtergrondgeluid, hoe groter de verstoring van de timing en hoe eerder de eerste detectie zal plaatsvinden.

Goulding, Greene en de andere observerende astronomen van het team hebben de twee titanen gedetecteerd met de Hubble-ruimtetelescoop. Hoewel superzware zwarte gaten niet direct zichtbaar zijn door een optische telescoop, ze worden omringd door heldere groepen lichtgevende sterren en warm gas dat wordt aangezogen door de krachtige zwaartekracht. Voor zijn tijd in de geschiedenis, het sterrenstelsel dat het nieuwe superzware zwarte-gatpaar herbergt "in feite het meest lichtgevende sterrenstelsel in het universum is, " zegt Goulding. Wat meer is, de kern van de melkweg schiet twee ongewoon kolossale gaspluimen uit. Nadat de onderzoekers de Hubble-ruimtetelescoop op de melkweg hadden gericht om de oorsprong van zijn spectaculaire gaswolken te ontdekken, ze ontdekten dat het systeem niet één maar twee massieve zwarte gaten bevatte.

De observationalisten werkten vervolgens samen met zwaartekrachtgolffysici Mingarelli en Princeton-afgestudeerde student Kris Pardo om de bevinding te interpreteren in de context van de zwaartekrachtgolfachtergrond. De ontdekking biedt een ankerpunt om te schatten hoeveel superzware zwarte gatenparen zich binnen de detectieafstand van de aarde bevinden. Eerdere schattingen waren gebaseerd op computermodellen van hoe vaak sterrenstelsels samensmelten, in plaats van feitelijke waarnemingen van paren van superzware zwarte gaten.

Op basis van de bevindingen, Pardo en Mingarelli voorspellen dat er in een optimistisch scenario ongeveer 112 superzware zwarte gaten in de buurt zijn die zwaartekrachtgolven uitzenden. De eerste detectie van de zwaartekrachtgolfachtergrond van superzware zwarte gaten zou daarom binnen ongeveer vijf jaar moeten plaatsvinden. Als een dergelijke detectie niet wordt gedaan, dat zou een bewijs zijn dat het laatste parsec-probleem onoverkomelijk kan zijn. Het team kijkt momenteel naar andere sterrenstelsels die lijken op het sterrenstelsel dat het nieuwe superzware zwarte gatenpaar herbergt. Door extra paren te vinden, kunnen ze hun voorspellingen verder aanscherpen.