Seit Jahrzehnten wissen Astronomen, dass sich supermassive Black Holes (SMBHs) im Zentrum der massereichsten Galaxien befinden. Diese Schwarzen Löcher, die von Hunderttausenden bis zu Milliarden von Sonnenmassen reichen, üben einen starken Einfluss auf die umgebende Materie aus und gelten als Ursache für aktive galaktische Kerne (AGN). Seit Astronomen über sie Bescheid wissen, haben sie versucht zu verstehen, wie sich SMBHs bilden und entwickeln.
In zwei kürzlich veröffentlichten Studien berichten zwei internationale Forscherteams über die Entdeckung von fünf neu entdeckten Schwarzen Lochpaaren in den Zentren entfernter Galaxien. Diese Entdeckung könnte Astronomen dabei helfen, neue Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie sich SMBHs im Laufe der Zeit bilden und wachsen, ganz zu schweigen davon, wie Fusionen von Schwarzen Löchern die stärksten Gravitationswellen im Universum erzeugen.
Die ersten vier Kandidaten für zwei schwarze Löcher wurden in einer Studie mit dem Titel „Vergrabene AGNs in fortgeschrittenen Fusionen: Farbauswahl im mittleren Infrarot als dualer AGN-Finder“ beschrieben, die von Shobita Satyapal, Professorin für Astrophysik an der George Mason University, geleitet wurde. Diese Studie wurde zur Veröffentlichung in angenommen Das astrophysikalische Journal und erschien vor kurzem online.
Die zweite Studie, in der über den fünften Kandidaten für ein doppeltes Schwarzes Loch berichtet wurde, wurde von Sarah Ellison geleitet - einer Astrophysikprofessorin an der University of Victoria. Es wurde vor kurzem in der veröffentlicht Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society unter dem Titel „Entdeckung eines dualen aktiven galaktischen Kerns mit ~ 8 kpc Trennung“. Die Entdeckung dieser fünf Schwarzlochpaare war sehr zufällig, da Paare ein sehr seltener Fund sind.
Wie Shobita Satyapal in einer Presseerklärung von Chandra erklärte:
„Astronomen finden überall im Universum einzelne supermassereiche Schwarze Löcher. Aber obwohl wir vorausgesagt haben, dass sie bei der Interaktion schnell wachsen, war es schwierig, doppelte supermassereiche Schwarze Löcher zu finden.“
Die Schwarzlochpaare wurden entdeckt, indem Daten von verschiedenen bodengestützten und weltraumgestützten Instrumenten kombiniert wurden. Dazu gehörten optische Daten aus dem Sloan Digital Sky Survey (SDSS) und dem bodengestützten Large Binocular Telescope (LBT) in Arizona mit Nahinfrarotdaten aus dem Wide-Field Infrared Survey Explorer (WISE) und Röntgendaten aus Chandra der NASA Röntgenobservatorium.
Für ihre Studien versuchten Satyapal, Ellison und ihre jeweiligen Teams, doppelte AGNs zu entdecken, von denen angenommen wird, dass sie eine Folge galaktischer Fusionen sind. Sie begannen damit, optische Daten aus dem SDSS zu konsultieren, um Galaxien zu identifizieren, die sich offenbar im Verschmelzungsprozess befanden. Daten aus der All-Sky-WISE-Umfrage wurden dann verwendet, um die Galaxien zu identifizieren, die die stärksten AGNs aufwiesen.
Anschließend konsultierten sie Daten des Advanced CCD Imaging Spectrometer (ACIS) von Chandra und des LBT, um sieben Galaxien zu identifizieren, die sich in einem fortgeschrittenen Stadium der Fusion zu befinden schienen. Die von Ellison durchgeführte Studie stützte sich auch auf optische Daten, die von der MaNGA-Umfrage (Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory) bereitgestellt wurden, um eines der neuen Schwarzlochpaare zu lokalisieren.
Aus den kombinierten Daten ergab sich, dass fünf der sieben verschmelzenden Galaxien mögliche doppelte AGNs enthielten, die weniger als 10 Kiloparsec (über 30.000 Lichtjahre) voneinander entfernt waren. Dies wurde durch die von WISE bereitgestellten Infrarotdaten belegt, die mit den Aussagen über schnell wachsende supermassive Schwarze Löcher übereinstimmten.
Darüber hinaus zeigten die Chandra-Daten eng getrennte Paare von Röntgenquellen, was auch mit Schwarzen Löchern übereinstimmt, auf denen sich langsam Materie ansammelt. Diese Infrarot- und Röntgendaten legen auch nahe, dass die supermassiven Schwarzen Löcher in großen Mengen Staub und Gas vergraben sind. Wie Ellison angedeutet hat, waren diese Ergebnisse das Ergebnis sorgfältiger Arbeit, die darin bestand, mehrere Wellenlängen von Daten zu sortieren:
„Unsere Arbeit zeigt, dass die Kombination der Infrarotauswahl mit der Röntgenuntersuchung ein sehr effektiver Weg ist, um diese Schwarzlochpaare zu finden. Röntgen- und Infrarotstrahlung können die dunklen Gas- und Staubwolken durchdringen, die diese Schwarzlochpaare umgeben, und Chandras scharfe Sicht ist erforderlich, um sie zu trennen. “
Vor dieser Studie wurden weniger als zehn Paare wachsender Schwarzer Löcher anhand von Röntgenuntersuchungen bestätigt, und diese waren größtenteils zufällig. Diese neueste Arbeit, bei der fünf Schwarzlochpaare unter Verwendung kombinierter Daten entdeckt wurden, war daher sowohl glücklich als auch bedeutsam. Abgesehen von der Bestätigung der Hypothese, dass sich aus der Fusion kleinerer Schwarzer Löcher supermassive Schwarze Löcher bilden, haben diese Studien auch schwerwiegende Auswirkungen auf die Gravitationswellenforschung.
"Es ist wichtig zu verstehen, wie häufig supermassive Schwarzlochpaare sind, um die Signale für Gravitationswellenobservatorien vorhersagen zu können", sagte Satyapa. „Da bereits Experimente durchgeführt wurden und zukünftige online gehen, ist dies eine aufregende Zeit, um die Verschmelzung von Schwarzen Löchern zu erforschen. Wir befinden uns in einem frühen Stadium einer neuen Ära bei der Erforschung des Universums. “
Seit 2016 wurden insgesamt vier Fälle von Gravitationswellen von Instrumenten wie dem Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatorium (LIGO) und dem VIRGO-Observatorium erfasst. Diese Entdeckungen waren jedoch das Ergebnis von Fusionen von Schwarzen Löchern, bei denen alle Schwarzen Löcher kleiner und weniger massiv waren - zwischen acht und 36 Sonnenmassen.
Supermassive Black Holes hingegen sind viel massiver und erzeugen wahrscheinlich eine viel größere Gravitationswellensignatur, wenn sie sich weiter annähern. Und in einigen hundert Millionen Jahren, wenn diese Paare schließlich verschmelzen, wird die resultierende Energie, die durch die Umwandlung von Masse in Gravitationswellen erzeugt wird, unglaublich sein.
Derzeit können Detektoren wie LIGO und Virgo die Gravitationswellen, die von Supermassive Black Hole-Paaren erzeugt werden, nicht erfassen. Diese Arbeit wird von Arrays wie dem nordamerikanischen Nanohertz-Observatorium für Gravitationswellen (NANOGrav) durchgeführt, das hochpräzise Millisekundenpulsare verwendet, um den Einfluss von Gravitationswellen auf die Raumzeit zu messen.
Die vorgeschlagene Laserinterferometer-Weltraumantenne (LISA), die der erste dedizierte weltraumgestützte Gravitationswellendetektor sein wird, soll ebenfalls bei der Suche helfen. In der Zwischenzeit hat die Gravitationswellenforschung bereits immens von Kooperationsbemühungen profitiert, wie sie zwischen Advanced LIGO und Advanced Virgo bestehen.
In Zukunft erwarten Wissenschaftler auch, dass sie das Innere von Supernovae durch Gravitationswellenforschung untersuchen können. Dies wird wahrscheinlich viel über die Mechanismen hinter der Bildung von Schwarzen Löchern verraten. Zwischen all diesen laufenden Bemühungen und zukünftigen Entwicklungen können wir erwarten, viel mehr vom Universum und den mächtigsten Kräften, die in ihm wirken, zu „hören“.
Schauen Sie sich unbedingt diese Animation an, die zeigt, wie die eventuelle Fusion zweier dieser Schwarzlochpaare mit freundlicher Genehmigung des Chandra-Röntgenobservatoriums aussehen wird:
