Použití archivních dat dalekohledu Sever blíženců, astronomové změřili nejtěžší pár supermasivních černých děr, jaký byl kdy nalezen. Sloučení dvou supermasivních černých děr je jev, který byl dlouho předpovídán, ale nikdy nebyl pozorován. Tento masivní pár poskytuje vodítko k tomu, proč se taková událost zdá ve vesmíru nepravděpodobná.
Téměř každá hmotná galaxie obsahuje ve svém středu supermasivní černou díru. Když se dvě galaxie spojí, jejich černé díry mohou tvořit binární pár, to znamená, že jsou na společné oběžné dráze. Předpokládá se, že tyto binární páry jsou předurčeny ke splynutí v průběhu času, ale to nebylo nikdy pozorováno. Otázka, zda je taková událost možná, je předmětem debat mezi astronomy po celá desetiletí.
Astronomové použili data z dalekohledu Gemini North na Havaji, což je polovina mezinárodní observatoře Gemini provozované NOIRLab Národního fyzikálního institutu, k analýze supermasivní binární černé díry umístěné v eliptické galaxii B2 0402+379. Je to jediná supermasivní binární černá díra, která byla viděna dostatečně podrobně, aby bylo možné vidět oba objekty odděleně, a drží rekord v nejkratší vzdálenosti, která byla přímo změřena, pouhých 24 světelných let. Zatímco taková malá vzdálenost předznamenává silnou fúzi, další vyšetřování odhalilo, že dvojice uvízla v této vzdálenosti více než tři miliardy let, což vyvolává otázku: Jaký je důvod zpoždění?
Aby tým lépe porozuměl dynamice tohoto systému a jeho pozastavenému sloučení, obrátil se na archivní data z Gemini North Multi-Object Spectrograph (GMOS), která jim umožnila určit rychlosti hvězd v blízkosti černých děr.
"Pozoruhodná citlivost GMOS nám umožnila zmapovat nárůst rychlosti hvězd, jak se přibližují ke středu galaxie," řekl Roger Romani, profesor fyziky na Stanfordské univerzitě a spoluautor článku. "Díky tomu jsme byli schopni vyvodit závěr o celkové hmotnosti černých děr, které tam jsou."
Tým odhaduje, že hmotnost binární černé díry je 28 miliardkrát větší než hmotnost Slunce, což z dvojice dělá nejtěžší binární černou díru, která byla kdy měřena. Toto měření poskytuje nejen cenný kontext pro formování binárního systému a historii jeho hostitelské galaxie, ale také potvrzuje dlouhodobou teorii, že hmotnost supermasivní binární černé díry hraje klíčovou roli při brzdění potenciálního sloučení.
"Datový archiv Gemini International Observatory obsahuje zlatý důl nevyužitých vědeckých objevů," řekl Martin Still, programový ředitel NSF pro Gemini International Observatory. "Měření hmotnosti této supermasivní binární černé díry je nápadným příkladem potenciálního dopadu nového výzkumu zkoumajícího tento bohatý archiv."
Pochopení toho, jak tato dvojhvězda vznikla, může pomoci předpovědět, zda a kdy dojde ke splynutí – několik vodítek naznačuje, že dvojice vznikla sloučením více galaxií. Za prvé, B2 0402+379 je „fosilní kupa“, tedy výsledek sloučení hvězd a plynu celé kupy galaxií do jedné masivní galaxie. Kromě toho přítomnost dvou supermasivních černých děr v kombinaci s jejich velkou kombinovanou hmotností naznačuje, že vznikly sloučením několika menších černých děr z různých galaxií.
Po galaktickém sloučení se supermasivní černé díry čelně nesrazí. Místo toho začnou létat kolem sebe a usadí se na omezené oběžné dráze. Při každém průchodu se energie přenáší z černých děr na okolní hvězdy. Ztrácí energii a pár se přitahuje stále blíže, dokud nejsou od sebe vzdálené světelné roky, kde převezme vládu gravitační záření a spojí se. Tento proces byl přímo pozorován u párů černých děr s hvězdnou hmotností – první případ byl zaznamenán v roce 2015 díky detekci gravitačních vln – ale nikdy nebyl pozorován v binárních supermasivních systémech.
S novými znalostmi o extrémně velké hmotnosti systému tým dospěl k závěru, že by bylo zapotřebí extrémně velkého počtu hvězd, aby zpomalily oběžnou dráhu binárního systému natolik, aby je přiblížily. Během tohoto procesu se zdá, že černé díry vyvrhly téměř veškerou hmotu kolem sebe, takže galaktické jádro postrádalo hvězdy a plyn. Vzhledem k tomu, že už nebyl žádný materiál, který by dále zpomalil oběžnou dráhu páru, jejich sloučení se ve své závěrečné fázi zastavilo.
"Galaxie s lehčími páry černých děr se obvykle zdají mít dostatek hvězd a hmoty na to, aby se rychle sblížily," říká Romani. "Protože je tato dvojice tak těžká, potřebuje hodně hvězd a plynu, aby to zvládla." Ale dvojhvězda vyčistila centrální galaxii od takové hmoty a nechala ji zmrazenou a dostupnou pro naši studii."
Zda překonají stagnaci a nakonec za miliony let splynou, nebo zůstanou v orbitálním limbu navždy, se teprve uvidí. Pokud se spojí, výsledné gravitační vlny budou 100 milionkrát silnější než ty, které vzniknou sloučením černých děr o hvězdné hmotnosti.
Je možné, že by pár mohl překonat tuto konečnou vzdálenost dalším galaktickým sloučením, které by do systému vdechlo další materiál nebo možná třetí černou díru, která by zpomalila oběžnou dráhu páru natolik, aby se spojil. Avšak vzhledem k tomu, že B2 0402+379 je fosilní kupou, je nové sloučení galaxií nepravděpodobné.
"Těšíme se na další studie jádra B2 0402+379, kde uvidíme, kolik plynu obsahuje," řekl Tirth Surti, postgraduální student ze Stanfordu a hlavní autor článku. "To nám dá lepší přehled o tom, zda se supermasivní černé díry mohou časem spojit, nebo zda zůstanou jako binární systém."
Přečtěte si také: