Artystyczna wizja dwóch czarnych dziur, które mają się zderzyć.

Nowe obserwacje i analizy ujawniły dwie czarne dziury typu Goliat oddalone od siebie o zaledwie 750 lat świetlnych i zbliżające się, gdy krążą wokół siebie w następstwie połączenia galaktyk.

Astronomowie z Flatiron Institute i ich koledzy zauważyli dwóch upiornych Goliatów w drodze na katastroficzne spotkanie. Nowo odkryta para supermasywnych czarnych dziur jest najbliższa zderzenia, jakie kiedykolwiek widziano, astronomowie ogłosili 9 stycznia na spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego w Seattle oraz w artykule opublikowanym w Listy z dziennika astrofizycznego.

Choć są blisko siebie w kategoriach kosmologicznych, w odległości zaledwie 750 lat świetlnych od siebie, supermasywne czarne dziury nie połączą się przez kilkaset milionów lat. W międzyczasie odkrycie astronomów zapewnia lepsze oszacowanie liczby supermasywnych czarnych dziur, które również są bliskie zderzenia we wszechświecie.

Koncepcja tego artysty przedstawia fuzję galaktyk w późnym stadium i jej dwie nowo odkryte centralne czarne dziury. Podwójne czarne dziury są najbliżej siebie, jakie kiedykolwiek zaobserwowano w wielu długościach fal. Źródło: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); M. Weiss (NRAO/AUI/NSF)

Ta lepsza liczba osób pomoże naukowcom w słuchaniu chóru intensywnych fal w czasoprzestrzeni, znanego jako chór wszechświata[{” attribute=””>gravitational waves, the largest of which are products of supermassive black holes close to collision in the aftermath of galaxy mergers. Detecting that gravitational-wave background will improve estimates of how many galaxies have collided and merged in the universe’s history.

The short distance between the newly discovered black holes “is fairly close to the limit of what we can detect, which is why this is so exciting,” says study co-author Chiara Mingarelli, an associate research scientist at the Flatiron Institute’s Center for Computational Astrophysics in New York City.

Due to the small separation between the black holes, the astronomers could only differentiate between the two objects by combining many observations from seven telescopes, including NASA’s Hubble Space Telescope. (Although supermassive black holes aren’t directly visible through an optical telescope, they are surrounded by bright bunches of luminous stars and warm gas drawn in by their gravitational pull.)

Telescope observations of two newly discovered supermassive black holes on a collision course. Their host galaxy, left, is a mash-up of two galaxies that have collided. The pink box shows the location of the supermassive black holes. Close observation of the pair, right, reveals two distinct black holes (white spots) only 750 light-years apart. Credit: M.J. Koss et al.

The astronomers found the pair quickly once they started looking, which means that close-together supermassive black holes “are probably more common than we think, given that we found these two and we didn’t have to look very far to find them,” Mingarelli says.

The newly identified supermassive black holes inhabit a mash-up of two galaxies that collided around 480 million light-years away from Earth. Gargantuan black holes live in the heart of most galaxies, growing bigger by gobbling up surrounding gas, dust, stars, and even other black holes. The two supermassive black holes identified in this study are true heavyweights: They clock in at 200 million and 125 million times the mass of our sun.

The black holes met as their host galaxies smashed into each other. Eventually they will begin circling each other, with the orbit tightening as gas and stars pass between the two black holes and steal orbital energy. Ultimately the black holes will start producing gravitational waves far stronger than any that have previously been detected, before crashing into each other to form one jumbo-size black hole.

Koncepcja tego artysty przedstawia fuzję galaktyk w późnym stadium i jej dwie nowo odkryte centralne czarne dziury. Podwójne czarne dziury są najbliżej siebie, jakie kiedykolwiek zaobserwowano w wielu długościach fal. Kredyt:[{” attribute=””>ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), M. Koss et al (Eureka Scientific), S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF)

Prior observations of the merging galaxies saw only a single supermassive black hole: Because the two objects are so close together, scientists couldn’t definitively tell them apart using a single telescope. The new survey, led by Michael J. Koss of Eureka Scientific in Oakland, California, combined 12 observations made on seven telescopes on Earth and in orbit. Although no single observation was enough to confirm their existence, the combined data conclusively revealed two distinct black holes.

“It’s important that with all these different images, you get the same story — that there are two black holes,” says Mingarelli, when comparing this new multi-observation research with previous efforts. “This is where other studies [of close-proximity supermassive black holes] upadły w przeszłości. Kiedy ludzie poszli za nimi, okazało się, że jest tylko jedna czarna dziura. [This time we] mają wiele uwag, wszystkie się zgadzają”.

Schematyczne przedstawienie najważniejszych etapów i krytycznych mechanizmów fizycznych prowadzących do połączenia dwóch supermasywnych czarnych dziur i odpowiadających im reprezentatywnych skal czasowych i przestrzennych. Źródło: José Utreras/Ezequiel Treister, Centrum Astrofizyki i Technologii Powiązanych (CATA); Michael Koss (Eureka Scientific) i in.

Ona i wizytujący naukowiec z Flatiron Institute, Andrew Casey-Clyde, wykorzystali nowe obserwacje do oszacowania populacji wszechświata łączących się supermasywnych czarnych dziur, stwierdzając, że „może być zaskakująco wysoka” – mówi Mingarelli. Przewidują, że istnieje mnóstwo par supermasywnych czarnych dziur, generujących znaczną ilość ultra-silnych fal grawitacyjnych. Cały ten zgiełk powinien skutkować głośnym tłem fali grawitacyjnej, znacznie łatwiejszym do wykrycia, niż gdyby populacja była mniejsza. Dlatego pierwsze w historii wykrycie bełkotu fal grawitacyjnych w tle może nastąpić „bardzo szybko”, mówi Mingarelli.

Odniesienie: „UGC 4211: potwierdzone podwójne aktywne jądro galaktyczne we wszechświecie lokalnym w separacji jądrowej 230 pc” Michael J. Koss, Ezequiel Treister, Darshan Kakkad, J. Andrew Casey-Clyde, Taiki Kawamuro, Jonathan Williams, Adi Foord, Benny Trakhtenbrot, Franz E. Bauer, George C. Privon, Claudio Ricci, Richard Mushotzky, Loreto Barcos-Munoz, Laura Blecha, Thomas Connor, Fiona Harrison, Tingting Liu, Macon Magno, Chiara MF Mingarelli, Francisco Muller-Sanchez, Kyuseok Oh , T. Taro Shimizu, Krista Lynne Smith, Daniel Stern, Miguel Parra Tello i C. Megan Urry, 9 stycznia 2023 r., Listy z dziennika astrofizycznego.
DOI: 10.3847/2041-8213/aca8f0