Utilizarea datelor telescopului de arhivă Gemeni de Nord, astronomii au măsurat cea mai grea pereche de găuri negre supermasive găsite vreodată. Fuziunea a două găuri negre supermasive este un fenomen care a fost prezis de mult timp, dar niciodată observat. Această pereche masivă oferă indicii de ce un astfel de eveniment pare puțin probabil în univers.
Aproape fiecare galaxie masivă conține o gaură neagră supermasivă în centrul ei. Când două galaxii se îmbină, găurile lor negre pot forma o pereche binară, adică pot fi pe o orbită legată una cu cealaltă. Se presupune că aceste perechi binare sunt destinate să fuzioneze în timp, dar acest lucru nu a fost observat niciodată. Întrebarea dacă un astfel de eveniment este posibil a fost un subiect de dezbatere în rândul astronomilor de zeci de ani.
Astronomii au folosit date de la telescopul Gemini North din Hawaii, care este jumătate din Observatorul Internațional Gemini operat de NOIRLab al Institutului Național de Fizică, pentru a analiza gaura neagră binară supermasivă situată în galaxia eliptică B2 0402+379. Este singura gaură neagră binară supermasivă care a fost văzută suficient de detaliat pentru a vedea ambele obiecte separat și deține recordul pentru cea mai scurtă distanță care a fost măsurată direct, doar 24 de ani lumină. În timp ce o distanță atât de apropiată prevestește o fuziune puternică, investigațiile ulterioare au arătat că perechea a fost blocată la această distanță de peste trei miliarde de ani, ceea ce ridică întrebarea: Care este motivul întârzierii?
Pentru a înțelege mai bine dinamica acestui sistem și fuziunea sa blocată, echipa a apelat la datele de arhivă de la Gemini North Multi-Object Spectrograph (GMOS), care le-a permis să determine vitezele stelelor din vecinătatea găurilor negre.
„Sensibilitatea remarcabilă a GMOS ne-a permis să cartografiem creșterea vitezei stelelor pe măsură ce se apropie de centrul galaxiei”, a spus Roger Romani, profesor de fizică la Universitatea Stanford și coautor al lucrării. „Datorită acestui lucru, am putut trage o concluzie despre masa totală a găurilor negre care se află acolo”.
Echipa estimează că masa găurii negre binare este de 28 de miliarde de ori mai mare decât cea a Soarelui, ceea ce face din pereche cea mai grea gaură neagră binară măsurată vreodată. Această măsurătoare nu numai că oferă un context valoros pentru formarea sistemului binar și istoria galaxiei sale gazdă, dar confirmă și teoria de lungă durată conform căreia masa unei găuri negre binare supermasive joacă un rol cheie în oprirea unei potențiale fuziuni.
„Arhiva de date a Observatorului Internațional Gemeni conține o mină de aur de descoperiri științifice neexploatate”, a declarat Martin Still, director de program NSF pentru Observatorul Internațional Gemini. „Măsurarea masei acestei găuri negre binare supermasive este un exemplu izbitor al impactului potențial al noilor cercetări care examinează această arhivă bogată”.
Înțelegerea modului în care s-a format acest binar poate ajuta la prezicerea dacă și când se va fuziona - mai multe indicii indică faptul că perechea s-a format din fuziunea mai multor galaxii. În primul rând, B2 0402+379 este un „cluster fosil”, adică rezultatul fuziunii stelelor și gazului unui întreg grup de galaxii într-o galaxie masivă. În plus, prezența a două găuri negre supermasive, combinată cu masa lor mare combinată, sugerează că s-au format din fuziunea mai multor găuri negre mai mici din galaxii diferite.
După o fuziune galactică, găurile negre supermasive nu se ciocnesc frontal. În schimb, încep să zboare unul pe lângă celălalt, instalându-se pe o orbită limitată. Cu fiecare trecere, energia este transferată de la găurile negre către stelele din jur. Pierzând energie, perechea se apropie din ce în ce mai mult până când se distanță de ani lumină, unde radiația gravitațională preia controlul și se contopesc. Acest proces a fost observat direct în perechi de găuri negre cu masă stelară – prima instanță a fost înregistrată în 2015 datorită detectării undelor gravitaționale – dar nu a fost niciodată observat în sisteme binare supermasive.
Cu noile cunoștințe despre masa extrem de mare a sistemului, echipa a ajuns la concluzia că va fi nevoie de un număr extrem de mare de stele pentru a încetini suficient orbita sistemului binar pentru a le apropia mai mult. În acest proces, găurile negre par să fi ejectat aproape toată materia din jurul lor, lăsând nucleul galactic lipsit de stele și gaze. Nemaifiind material care să decelereze și mai mult orbita perechii, fuziunea lor a blocat în fazele sale finale.
„Galaxiile cu perechi de găuri negre mai ușoare par de obicei să aibă suficiente stele și masă pentru a converge rapid”, spune Romani. „Deoarece această pereche este atât de grea, are nevoie de o mulțime de stele și gaz pentru a face treaba. Dar binara a curățat galaxia centrală de o astfel de materie, lăsând-o înghețată și disponibilă pentru studiul nostru.”
Rămâne de văzut dacă vor depăși stagnarea și, în cele din urmă, vor fuziona în milioane de ani, sau vor rămâne în limbo-ul orbital pentru totdeauna. Dacă se unesc, undele gravitaționale rezultate vor fi de 100 de milioane de ori mai puternice decât cele produse prin fuziunea găurilor negre cu masă stelară.
Este posibil ca perechea să depășească această distanță finală printr-o altă fuziune galactică, care ar insufla material suplimentar în sistem, sau poate o a treia gaură neagră, pentru a încetini suficient orbita perechii pentru ca aceasta să fuzioneze. Cu toate acestea, având în vedere statutul lui B2 0402+379 ca cluster fosil, este puțin probabilă o nouă fuziune a galaxiilor.
„Așteptăm cu nerăbdare studii ulterioare ale miezului B2 0402+379, unde vom vedea cât de mult gaz conține”, a spus Tirth Surti, student absolvent la Stanford și autor principal al lucrării. „Acest lucru ne va oferi mai multe informații dacă găurile negre supermasive se pot fuziona în timp sau dacă vor rămâne ca un sistem binar.”
Citeste si: