Met behulp van archiefgegevens van de Gemini North-telescoop heeft een team van astronomen het zwaarste paar superzware zwarte gaten ooit gemeten. Het samensmelten van twee superzware zwarte gaten is een fenomeen dat al lang wordt voorspeld, maar nooit is waargenomen. Dit enorme paar geeft aanwijzingen waarom een ​​dergelijke gebeurtenis in het universum zo onwaarschijnlijk lijkt.

Bijna elk massief sterrenstelsel herbergt een superzwaar zwart gat in het centrum. Wanneer twee sterrenstelsels samensmelten, kunnen hun zwarte gaten een binair paar vormen, wat betekent dat ze zich in een gebonden baan met elkaar bevinden. Er wordt verondersteld dat het voorbestemd is dat deze binaire bestanden uiteindelijk zullen samensmelten, maar dit is nooit waargenomen. De vraag of een dergelijke gebeurtenis mogelijk is, is al tientallen jaren onderwerp van discussie onder astronomen.

In een onlangs gepubliceerd artikel in The Astrophysical Journal , heeft een team van astronomen nieuw inzicht in deze vraag gepresenteerd.

Het team gebruikte gegevens van de Gemini North-telescoop op Hawaï, de helft van het International Gemini Observatory van NSF's NOIRLab, om een ​​superzwaar zwart gat-dubbelsterstelsel te analyseren dat zich in het elliptische sterrenstelsel B2 0402+379 bevindt. Dit is het enige superzware binaire getal van een zwart gat dat ooit in voldoende detail is opgelost om beide objecten afzonderlijk te kunnen zien, en het heeft het record voor de kleinste afstand die ooit rechtstreeks is gemeten:slechts 24 lichtjaar. Hoewel deze nauwe scheiding een krachtige fusie voorspelt, bleek uit verder onderzoek dat het paar al meer dan drie miljard jaar op deze afstand vastzit, wat de vraag oproept:wat is de vertraging?

Om de dynamiek van dit systeem en de stopgezette fusie ervan beter te begrijpen, heeft het team gekeken naar archiefgegevens van de Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS) van Gemini North, waarmee ze de snelheid van de sterren in de buurt van de zwarte gaten konden bepalen.

"Dankzij de uitstekende gevoeligheid van GMOS konden we de toenemende snelheden van de sterren in kaart brengen naarmate je dichter bij het centrum van de Melkweg kijkt", zegt Roger Romani, hoogleraar natuurkunde aan Stanford University en co-auteur van het artikel. "Daarmee konden we de totale massa van de zwarte gaten die zich daar bevinden afleiden."

Het team schat dat de massa van het dubbelsterlicht maar liefst 28 miljard keer zo groot is als die van de zon, waarmee het paar wordt gekwalificeerd als het zwaarste dubbelsterzwarte gat dat ooit is gemeten. Deze meting geeft niet alleen waardevolle context aan de vorming van het binaire systeem en de geschiedenis van zijn gaststelsel, maar ondersteunt ook de al lang bestaande theorie dat de massa van een superzwaar binair zwart gat een sleutelrol speelt bij het vertragen van een mogelijke fusie.

"Het data-archief dat het International Gemini Observatory bedient, bevat een goudmijn van onaangeboorde wetenschappelijke ontdekkingen", zegt Martin Still, NSF-programmadirecteur van het International Gemini Observatory. "Massametingen voor dit extreem superzware binaire zwarte gat zijn een ontzagwekkend voorbeeld van de potentiële impact van nieuw onderzoek dat dat rijke archief onderzoekt."

Als we begrijpen hoe dit binaire getal is ontstaan, kan dit helpen voorspellen of en wanneer het zal samensmelten – en een handvol aanwijzingen wijzen erop dat dit paar zich heeft gevormd via de samensmelting van meerdere sterrenstelsels. De eerste is dat B2 0402+379 een ‘fossiele cluster’ is, wat betekent dat het het resultaat is van het samensmelten van de hoeveelheid sterren en gas van een hele cluster van sterrenstelsels tot één enkel massief sterrenstelsel. Bovendien suggereert de aanwezigheid van twee superzware zwarte gaten, in combinatie met hun grote gecombineerde massa, dat ze het resultaat zijn van de samensmelting van meerdere kleinere zwarte gaten uit meerdere sterrenstelsels.

Na een galactische fusie botsen superzware zwarte gaten niet frontaal. In plaats daarvan beginnen ze langs elkaar te slingeren terwijl ze zich in een gebonden baan nestelen. Met elke passage die ze maken, wordt energie overgedragen van de zwarte gaten naar de omringende sterren. Terwijl ze energie verliezen, wordt het paar steeds dichterbij gesleept totdat ze slechts lichtjaren van elkaar verwijderd zijn, waar zwaartekrachtstraling het overneemt en ze samensmelten. Dit proces is rechtstreeks waargenomen in paren van stellaire zwarte gaten – het eerste ooit geregistreerde exemplaar vond plaats in 2015 via de detectie van zwaartekrachtsgolven – maar nooit in een binair getal van de superzware variant.

Met nieuwe kennis over de extreem grote massa van het systeem concludeerde het team dat er een uitzonderlijk groot aantal sterren nodig zou zijn geweest om de baan van de dubbelster voldoende te vertragen om ze zo dichtbij te brengen. Daarbij lijken de zwarte gaten bijna alle materie in hun omgeving te hebben weggegooid, waardoor de kern van het sterrenstelsel verhongerd is aan sterren en gas. Omdat er geen materiaal meer beschikbaar is om de baan van het paar verder te vertragen, is hun fusie in de laatste fase tot stilstand gekomen.

‘Normaal gesproken lijkt het erop dat sterrenstelsels met lichtere paren van zwarte gaten voldoende sterren en massa hebben om de twee snel samen te drijven’, zegt Romani. "Omdat dit paar zo zwaar is, had het veel sterren en gas nodig om de klus te klaren. Maar de dubbelster heeft het centrale sterrenstelsel op zoek gegaan naar dergelijke materie, waardoor het tot stilstand is gekomen en toegankelijk is voor ons onderzoek."

Of het paar hun stagnatie zal overwinnen en uiteindelijk zal samensmelten op tijdschalen van miljoenen jaren, of voor altijd in een orbitaal limbo zal blijven, moet nog worden bepaald. Als ze samensmelten, zouden de resulterende zwaartekrachtsgolven honderd miljoen keer krachtiger zijn dan de golven die worden geproduceerd door de samensmelting van zwarte gaten met stellaire massa.

Het is mogelijk dat het paar die laatste afstand zou kunnen overbruggen via een nieuwe samensmelting van sterrenstelsels, die het systeem zou injecteren met extra materiaal, of mogelijk een derde zwart gat, om de baan van het paar voldoende te vertragen om te kunnen samensmelten. Gezien de status van B2 0402+379 als fossiele cluster is een nieuwe galactische fusie echter onwaarschijnlijk.

"We kijken uit naar vervolgonderzoek naar de kern van B2 0402+379, waarbij we zullen kijken hoeveel gas er aanwezig is", zegt Tirth Surti, Stanford-student en hoofdauteur van het artikel. "Dit zou ons meer inzicht moeten geven in de vraag of de superzware zwarte gaten uiteindelijk kunnen samensmelten of dat ze als dubbelster zullen blijven stranden."

Meer informatie: Tirth Surti et al, De centrale kinematica en de zwarte gatmassa van 4C+37.11, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad14fa

Aangeboden door de National Science Foundation