Použitie archívnych údajov ďalekohľadu Sever blížencov, astronómovia zmerali najťažší pár supermasívnych čiernych dier, aký bol kedy nájdený. Spojenie dvoch supermasívnych čiernych dier je fenomén, ktorý bol dlho predpovedaný, no nikdy nebol pozorovaný. Tento masívny pár poskytuje vodítko, prečo sa takáto udalosť vo vesmíre javí ako nepravdepodobná.
Takmer každá masívna galaxia obsahuje vo svojom strede supermasívnu čiernu dieru. Keď sa dve galaxie spoja, ich čierne diery môžu vytvoriť binárny pár, to znamená, že sú na vzájomnej obežnej dráhe. Predpokladá sa, že tieto binárne páry sú predurčené na to, aby sa časom spojili, ale nikdy to nebolo pozorované. Otázka, či je takáto udalosť možná, je témou diskusií medzi astronómami už desaťročia.
Astronómovia použili údaje z ďalekohľadu Gemini North na Havaji, ktorý je jednou polovicou medzinárodného observatória Gemini prevádzkovaného NOIRLab Národného inštitútu fyziky, na analýzu supermasívnej binárnej čiernej diery umiestnenej v eliptickej galaxii B2 0402+379. Je to jediná supermasívna binárna čierna diera, ktorá bola videná dostatočne podrobne na to, aby bolo možné vidieť oba objekty oddelene, a drží rekord v najkratšej vzdialenosti, ktorá bola nameraná priamo, iba 24 svetelných rokov. Zatiaľ čo takáto úzka vzdialenosť predpovedá silné spojenie, ďalšie vyšetrovanie odhalilo, že dvojica uviazla v tejto vzdialenosti viac ako tri miliardy rokov, čo vyvoláva otázku: Aký je dôvod oneskorenia?
Na lepšie pochopenie dynamiky tohto systému a jeho zastaveného zlučovania sa tím obrátil na archívne údaje z Gemini North Multi-Object Spectrograph (GMOS), ktoré im umožnili určiť rýchlosti hviezd v blízkosti čiernych dier.
"Pozoruhodná citlivosť GMOS nám umožnila zmapovať nárast rýchlosti hviezd, keď sa približujú k stredu galaxie," povedal Roger Romani, profesor fyziky na Stanfordskej univerzite a spoluautor článku. "Vďaka tomu sme boli schopní urobiť záver o celkovej hmotnosti čiernych dier, ktoré tam sú."
Tím odhaduje, že hmotnosť binárnej čiernej diery je 28 miliárd krát väčšia ako hmotnosť Slnka, čo z dvojice robí najťažšiu binárnu čiernu dieru, aká bola kedy nameraná. Toto meranie poskytuje nielen cenný kontext pre formovanie binárneho systému a históriu jeho hostiteľskej galaxie, ale tiež potvrdzuje dlhodobú teóriu, že hmotnosť supermasívnej binárnej čiernej diery hrá kľúčovú úlohu pri brzdení potenciálneho zlúčenia.
"Dátový archív Gemini International Observatory obsahuje zlatú baňu nevyužitých vedeckých objavov," povedal Martin Still, programový riaditeľ NSF pre Gemini International Observatory. "Meranie hmotnosti tejto supermasívnej binárnej čiernej diery je pozoruhodným príkladom potenciálneho vplyvu nového výskumu skúmajúceho tento bohatý archív."
Pochopenie toho, ako sa táto dvojhviezda vytvorila, môže pomôcť predpovedať, či a kedy sa zlúči - niekoľko indícií naznačuje, že pár vznikol zlúčením viacerých galaxií. Po prvé, B2 0402+379 je "fosílna kopa", to znamená, že je výsledkom zlúčenia hviezd a plynu celej kopy galaxií do jednej masívnej galaxie. Okrem toho prítomnosť dvoch supermasívnych čiernych dier v kombinácii s ich veľkou kombinovanou hmotnosťou naznačuje, že vznikli zlúčením niekoľkých menších čiernych dier z rôznych galaxií.
Po galaktickom zlúčení sa supermasívne čierne diery nezrazia čelne. Namiesto toho začnú lietať okolo seba a usadzujú sa na obmedzenej obežnej dráhe. Pri každom prechode sa energia prenáša z čiernych dier na okolité hviezdy. Dvojica stráca energiu a priťahuje sa bližšie a bližšie, až sú od seba vzdialené svetelné roky, kde prevezme vládu gravitačné žiarenie a spoja sa. Tento proces bol priamo pozorovaný v pároch čiernych dier s hviezdnou hmotnosťou – prvý prípad bol zaznamenaný v roku 2015 vďaka detekcii gravitačných vĺn – ale nikdy nebol pozorovaný v binárnych supermasívnych systémoch.
S novými poznatkami o extrémne veľkej hmote systému tím dospel k záveru, že by bolo potrebné extrémne veľké množstvo hviezd, aby spomalilo obežnú dráhu binárneho systému natoľko, aby sa k sebe priblížili. V tomto procese sa zdá, že čierne diery vyvrhli takmer všetku hmotu okolo seba, takže galaktické jadro zostalo bez hviezd a plynu. Keďže už nebol žiadny materiál na ďalšie spomalenie obežnej dráhy páru, ich zlúčenie sa v záverečných fázach zastavilo.
„Galaxie s ľahšími pármi čiernych dier sa zvyčajne zdajú mať dosť hviezd a hmoty na to, aby sa rýchlo priblížili,“ hovorí Romani. „Pretože tento pár je taký ťažký, potrebuje veľa hviezd a plynu, aby svoju prácu vykonal. Ale dvojhviezda vyčistila centrálnu galaxiu od takejto hmoty a nechala ju zmrazenú a dostupnú pre našu štúdiu."
Či prekonajú stagnáciu a nakoniec za milióny rokov splynú, alebo zostanú navždy v orbitálnom limbe, to sa ešte len uvidí. Ak sa spoja, výsledné gravitačné vlny budú 100 miliónov krát silnejšie ako tie, ktoré vznikajú spojením čiernych dier s hviezdnou hmotnosťou.
Je možné, že pár by mohol prekonať túto konečnú vzdialenosť prostredníctvom ďalšej galaktickej fúzie, ktorá by do systému vdýchla ďalší materiál, alebo možno tretiu čiernu dieru, aby sa spomalila obežná dráha páru dostatočne na to, aby sa zlúčil. Avšak vzhľadom na stav B2 0402+379 ako fosílneho zhluku je nové splynutie galaxií nepravdepodobné.
"Tešíme sa na ďalšie štúdie jadra B2 0402+379, kde uvidíme, koľko plynu obsahuje," povedal Tirth Surti, postgraduálny študent Stanfordu a hlavný autor článku. "To nám poskytne lepší prehľad o tom, či sa supermasívne čierne diery môžu časom zlúčiť, alebo či zostanú ako binárny systém."
Prečítajte si tiež: