Astronomen haben drei supermassereiche Schwarze Löcher (SMBHs) im Zentrum von drei kollidierenden Galaxien entdeckt, die eine Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt sind. Dies ist ein Beweis dafür, dass alle drei auch aktive galaktische Kerne (AGN) sind, die Material verschlingen und hell aufflammen.
Diese Entdeckung könnte etwas Licht auf das „letzte Parsec-Problem“ werfen, ein langjähriges Problem in der Astrophysik und bei Fusionen von Schwarzen Löchern.
Astronomen fanden die drei SMBHs in Daten von mehreren Teleskopen, darunter das Sloan Digital Sky Survey (SDSS), das Chandra X-ray Observatory und das Wide-Field Infrared Survey Explorer (WISE). Die drei Schwarzen Löcher sind fast in einem eingepackt unvorstellbar episches Ereignis; eine Fusion von drei Galaxien. Diese Triplett-Fusionen können eine entscheidende Rolle dabei spielen, wie die massereichsten Schwarzen Löcher im Laufe der Zeit wachsen.
"Dies ist der stärkste Beweis, der bisher für ein solches dreifaches System gefunden wurde, bei dem supermassereiche Schwarze Löcher aktiv gespeist werden."
Ryan Pfeifle, George Mason University, Hauptautor.
Die Astronomen, die es fanden, hatten nicht erwartet, drei schwarze Löcher im Zentrum einer Dreifachgalaxien-Fusion zu finden.
"Wir haben damals nur nach Paaren von Schwarzen Löchern gesucht, und dennoch sind wir durch unsere Auswahlmethode auf dieses erstaunliche System gestoßen", sagte Ryan Pfeifle von der George Mason University in Fairfax, Virginia, der erste Autor eines neuen Papiers in Das Astrophysical Journal beschreibt diese Ergebnisse. "Dies ist der stärkste Beweis, der bisher für ein solches dreifaches System gefunden wurde, bei dem supermassereiche Schwarze Löcher aktiv gespeist werden."
Dreifache Schwarzlochsysteme sind schwer zu erkennen, weil in ihrer Nachbarschaft so viel los ist. Sie sind in Gas und Staub gehüllt, was es schwierig macht, hinein zu sehen. In dieser Studie wurden mehrere Teleskope benötigt, die in verschiedenen Teilen des elektromagnetischen Spektrums arbeiten, um die drei Löcher freizulegen. Es hat auch die Arbeit einiger Bürgerwissenschaftler gekostet.
Sie sind nicht nur schwer zu erkennen, sondern auch selten. "Doppelte und dreifache Schwarze Löcher sind äußerst selten", sagte Co-Autorin Shobita Satyapal, ebenfalls von George Mason, "aber solche Systeme sind tatsächlich eine natürliche Folge von Galaxienfusionen, von denen wir glauben, dass Galaxien wachsen und sich entwickeln."
Das SDSS war das erste, das diese Dreifachverschmelzung im sichtbaren Licht entdeckte, aber erst durch den Citizen Science-Projekt Galaxy Zoo wurde es als System kollidierender Galaxien identifiziert. Dann sah WISE, dass das System im Infrarot leuchtete, was darauf hinweist, dass es sich in einer Phase der Galaxienfusion befand, in der mehr als eines der Schwarzen Löcher voraussichtlich fressen würde.
Die Sloan- und WISE-Daten waren jedoch nur verlockende Hinweise, und Astronomen wandten sich zur weiteren Bestätigung an das Chandra-Observatorium und das Large Binocular Telescope (LBT). Chandra-Beobachtungen zeigten, dass sich im Zentrum jeder Galaxie helle Röntgenquellen befanden. Genau hier erwarten Wissenschaftler, SMBHs zu finden.
Weitere Beweise dafür, dass SMBHs dort waren, kamen von Chandra und dem NuSTAR-Satelliten (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) der NASA. Sie fanden Hinweise auf große Mengen an Gas und Staub in der Nähe eines der Schwarzen Löcher. Dies wird erwartet, wenn schwarze Löcher verschmelzen. Andere optische Lichtdaten von SDSS und LBT lieferten spektrale Beweise, die für die drei SMBH-Fütterungen charakteristisch sind.
"Optische Spektren enthalten eine Fülle von Informationen über eine Galaxie", sagte die Co-Autorin Christina Manzano-King von der University of California, Riverside. "Sie werden häufig verwendet, um aktiv akkretierende supermassereiche Schwarze Löcher zu identifizieren, und können den Einfluss widerspiegeln, den sie auf die Galaxien haben, in denen sie leben."
Mit dieser Arbeit hat das Team von Astronomen einen Weg entwickelt, um mehr von diesen dreifachen Schwarzlochsystemen zu finden. „Durch die Verwendung dieser großen Observatorien haben wir eine neue Methode zur Identifizierung dreifacher supermassiver Schwarzer Löcher identifiziert. Jedes Teleskop gibt uns einen anderen Hinweis darauf, was in diesen Systemen vor sich geht “, sagte Pfeifle. "Wir hoffen, unsere Arbeit erweitern zu können, um mit derselben Technik mehr Tripel zu finden."
Möglicherweise haben sie auch etwas Licht in das letzte Parsec-Problem gebracht.
Das letzte Parsec-Problem
Das letzte Parsec-Problem ist von zentraler Bedeutung für unser Verständnis von binären Fusionen von Schwarzen Löchern. Es ist ein theoretisches Problem, das besagt, dass wenn sich zwei Schwarze Löcher nähern, ihre übermäßige Orbitalenergie sie daran hindert, sich zu verbinden. Sie können innerhalb weniger Lichtjahre erreichen, dann kommt der Zusammenführungsprozess zum Stillstand.
Wenn sich zwei Schwarze Löcher anfänglich nähern, tragen sie ihre hyperbolischen Trajektorien direkt aneinander vorbei. Im Laufe der Zeit, wenn die beiden Löcher mit Sternen in ihrer Nähe interagieren, schleudern sie die Sterne durch Gravitation und übertragen jedes Mal einen Teil ihrer Orbitalenergie auf einen Stern. Die Emission von Gravitationswellen verringert auch die Energie der Schwarzen Löcher.
Schließlich verlieren die beiden Schwarzen Löcher genug Orbitalenergie, um langsamer zu werden und sich einander näher zu nähern, und kommen nur wenige Parsecs voneinander entfernt. Das Problem ist, dass beim Schließen der Entfernung immer mehr Materie durch Schleudern aus ihrer Nähe ausgestoßen wird. Das bedeutet, dass die Schwarzen Löcher nicht mehr miteinander interagieren und mehr Orbitalenergie abgeben müssen. Zu diesem Zeitpunkt kommt der Zusammenführungsprozess zum Stillstand. Oder sollte es.
Astrophysiker wissen jedoch, dass Schwarze Löcher verschmelzen, weil sie die starken Gravitationswellen gesehen haben. Tatsächlich entdeckt LIGO (Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory) etwa einmal pro Woche eine Fusion von Schwarzen Löchern. Wie sie am Ende miteinander verschmelzen, wird als letztes Parsec-Problem bezeichnet.
Das Team hinter dieser Studie glaubt, dass sie eine Antwort haben könnten. Sie glauben, dass ein drittes Schwarzes Loch, wie sie es in diesem System beobachtet haben, den nötigen Schub liefern könnte, um zwei Löcher zum Zusammenführen zu bringen. Wenn sich zwei schwarze Löcher in einem trinären System nähern, kann das dritte Loch sie beeinflussen, um die letzte Parsec zu schließen und zu verschmelzen.
Computersimulationen zufolge haben etwa 16% der Paare supermassiver Schwarzer Löcher in kollidierenden Galaxien mit einem dritten supermassiven Schwarzen Loch interagiert, bevor sie verschmelzen. Diese Fusionen würden Gravitationswellen erzeugen, aber das Problem ist, dass diese Wellen zu niederfrequent wären, als dass LIGO oder das VIRGO-Observatorium sie erkennen könnten.
Um diese zu erkennen, müssen sich Wissenschaftler möglicherweise auf zukünftige Observatorien wie LISA, die Laserinterferometer-Weltraumantenne der ESA / NASA, verlassen. LISA beobachtet Gravitationswellen mit niedrigerer Frequenz als LIGO oder VIRGO und ist besser gerüstet, um zu finden, dass supermassive Schwarze Löcher verschmelzen.
Das Papier, in dem diese Ergebnisse vorgestellt werden, trägt den Titel „Eine dreifache AGN bei einer ausgewählten Galaxienfusion im Spätstadium im mittleren Infrarotbereich“.
Mehr:
- Pressemitteilung: Gefunden: Drei schwarze Löcher auf Kollisionskurs
- Forschungsbericht: Eine dreifache AGN bei einer ausgewählten Galaxienfusion im Spätstadium im mittleren Infrarotbereich
- Wikipedia: Letztes Parsec-Problem
- LISA: Laserinterferometer-Weltraumantenne
