In het centrum van de meeste sterrenstelsels bevinden zich zwarte gaten die zo massief zijn - tot enkele miljarden keer de massa van onze zon - dat ze de descriptor 'superzwaar' hebben verdiend. Vergelijk dit met je doorsnee stellaire zwarte gat, een miezerige 10 tot 100 keer de massa van onze zon. Het begrijpen van deze superzware zwarte gaten zal astronomen helpen de oorsprong en evolutie van sterrenstelsels te begrijpen. Een open vraag is of ze binaire bestanden kunnen vormen.

Zwarte gaten met stellaire massa vormen binaire systemen, twee zwarte gaten die om elkaar heen draaien, als ze ontstaan ​​door de ineenstorting van een dubbelstersysteem, of mogelijk wanneer twee zwarte gaten elkaar in hun aantrekkingskracht vangen. Ze kronkelen naar binnen, uiteindelijk versmelten in een gebeurtenis die zo krachtig is dat het een rimpeling door ruimte en tijd stuurt die bekend staat als een zwaartekrachtgolf. Een paar jaar geleden, de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detecteerde voor het eerst zwaartekrachtsgolven van een dergelijke gebeurtenis.

Theoretisch dan, het samensmelten van twee sterrenstelsels kan resulteren in een binair zwart gat van de superzware variëteit, maar tot dusver hebben astronomen niet ondubbelzinnig een van deze gebeurtenissen ontdekt. Penn State hoogleraar astronomie en astrofysica Michael Eracleous loopt voorop bij de jacht.

"Ongeveer tien jaar geleden er zijn verschillende artikelen gepubliceerd waarin wordt beweerd dat ze binaire superzware zwarte gaten hebben gedetecteerd, " zei hij. "Ik had wat werk gedaan aan binaire superzware zwarte gaten als afgestudeerde student, dus voelde ik me genoodzaakt om een ​​project op te starten om veel gegevens te verzamelen om een ​​tegenwicht te kunnen bieden aan de beweringen van die papieren. Toen ik er eenmaal in zat, Ik zag hoe verbonden het was met de evolutie van sterrenstelsels."

"Toen ik naar Penn State kwam, Ik wist dat de afdeling perfect paste bij het soort onderzoek dat ik doe, " zei hij. "Ik heb een aantal goede contacten gelegd met mijn collega's hier, en nu weet ik dat als ik ooit vast zit, het enige dat nodig is, is een kopje koffie en een gesprek om de zaken op te helderen."

Dus hoe zoek je naar iets dat je nog nooit hebt gezien?

"In een groot deel van de astronomie, observatie komt eerst - we zien iets en dat informeert onze theorie, "zei Eracleous. "Voor binaire superzware zwarte gaten, theorie is de drijvende kracht achter de waarnemingen. Tot we er een vinden, de vragen zijn "Moeten ze bestaan?" en "Moeten we ze zoeken?" En het antwoord op beide vragen is absoluut "Ja."

Een belangrijk verschil tussen superzware zwarte gaten en stellaire zwarte gaten is gas. Wanneer zwarte gaten met stellaire massa worden gevormd nadat een ster in een supernova is ontploft, het meeste gas wordt weggedreven. Maar men denkt dat superzware zwarte gaten gassen met zich meedragen. Deze gassen zenden lichtsignalen uit die kunnen worden gedetecteerd door grote telescopen die zijn uitgerust met spectrografen hier op aarde, zoals de 11-meter Hobby-Eberly Telescope (HET).

Eracleous legde uit dat de gassen door de spectrograaf worden gedetecteerd als emissielijnen van een bepaalde golflengte en dat ze de sleutel kunnen zijn tot het identificeren van een superzware dubbelster. Terwijl de zwarte gaten om elkaar heen draaien, de emissielijnen van deze gassen verschuiven door het Doppler-effect. De emissielijnen van één zwart gat worden verschoven naar langere golflengten, en die van de andere worden verschoven naar kortere golflengten. Dus wetenschappers verwachten twee afzonderlijke emissielijnen, één van elk zwart gat.

"Als we de emissielijnen in de loop van een baan zouden kunnen volgen, we zouden ze heen en weer zien kruisen terwijl de signalen van elk zwart gat de ene kant op verschoven en dan de andere, ' zei Eracleous.

Natuurlijk, de eigenlijke zoektocht is niet zo eenvoudig. Praktische zaken zoals beperkte beschikbaarheid van tijd op de grote telescopen die nodig zijn om deze waarnemingen te doen, betekenen dat astronomen niet gewoon kunnen toekijken en wachten om de veelbetekenende tekenen van een superzware dubbelster te zien. Maar dat hoeven ze niet. In plaats daarvan, ze identificeren kandidaten uit een eerste enquête en controleren regelmatig of de spectra van deze kandidaten zijn veranderd zoals zou worden verwacht op basis van theoretische modellen.

"Het gebruik van de Hobby-Eberly-telescoop om deze waarnemingen te maken, maakt ons leven gemakkelijker omdat we niet eens naar het observatorium hoeven te gaan om de gegevens te verzamelen, "zei Eracleous. "De HET wordt beheerd door plaatselijke astronomen die de waarnemingen doen en ons de gegevens sturen."

Het proces is traag, maar Eracleous legde uit dat zodra ze één binair superzwaar zwart gat vinden, het zoeken moet versnellen.

"Het eerste bevestigde binaire superzware zwarte gat zal zijn als de Rosetta Stone, "zei hij. "Het zal ons vertellen welke van onze modellen gelijk hadden en welke niet. Het stelt ons in staat onze volgende zoekopdrachten te verfijnen en we zouden er meer moeten kunnen vinden."

Astronomen zijn de technologie al aan het ontwikkelen voor die volgende zoekopdrachten. Eracleous is betrokken bij de planning voor de Laser Interferometer Space Antenna (LISA). LISA is voor LIGO wat een superzwaar zwart gat is voor een stellair zwart gat. Waar LIGO bestaat uit twee vier kilometer lange lasers die haaks op elkaar staan, De drie ruimtevaartuigen van LISA worden verbonden door lasers die 2,5 miljoen kilometer afleggen en een gelijkzijdige driehoek vormen. De schaal van LISA en het feit dat het in de ruimte is gebaseerd, betekent dat het zwaartekrachtsgolven met een lage golflengte kan detecteren, ver weg van geluidsbronnen hier op aarde.

"LISA zal worden afgestemd om zwaartekrachtsgolven te vinden zoals die het gevolg zouden zijn van een superzware samensmelting van zwarte gaten, ' zei Eracleous.

Voor Eracleous, Penn State's Department of Astronomy and Astrophysics heeft gezorgd voor de ondersteunende omgeving die nodig is voor zijn zoektocht.