Astronomen haben ein weit entferntes Paar gigantischer schwarzer Löcher entdeckt, die auf Kollisionskurs sind.

Die Masse der beiden schwarzen Löcher ist mehr als 800 Millionen Mal so groß wie die unserer Sonne. Wenn sich die beiden Löcher in einer Todesspirale allmählich aufeinander zubewegen, werden sie beginnen, Gravitationswellen durch die Raumzeit zu senden. Diese kosmischen Wellen werden sich zu dem noch unentdeckten Hintergrundrauschen der Gravitationswellen anderer supermassereicher schwarzer Löcher gesellen. Noch bevor dieDie Gravitationswellen, die von dem Paar supermassiver schwarzer Löcher ausgehen, werden diejenigen in den Schatten stellen, die bisher bei der Verschmelzung von viel kleineren schwarzen Löchern und Neutronensternen entdeckt wurden.

"Kollisionen zwischen massereichen Galaxien erzeugen einige der extremsten Umgebungen, die wir kennen, und sollten theoretisch in der Begegnung zweier supermassereicher schwarzer Löcher gipfeln. Es war daher unglaublich aufregend, ein so energiereiches und nahes Paar schwarzer Löcher auf den Bildern des Hubble-Weltraumteleskops zu finden", sagte Andy Goulding, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Astrophysik amPrinceton, der der Hauptautor einer am 10. Juli in Astrophysical Journal Letters veröffentlichten Arbeit ist.

"Binäre supermassive schwarze Löcher erzeugen die stärksten Gravitationswellen im Universum", sagte die Mitentdeckerin und Mitautorin Chiara Mingarelli, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Center for Computational Astrophysics am Flatiron Institute in New York. Gravitationswellen von Paaren supermassiver schwarzer Löcher "sind eine Million Mal höher als die von LIGO entdeckten".

"Wenn diese supermassiven schwarzen Löcher verschmelzen, entsteht ein schwarzes Loch, das hundertmal größer ist als das im Zentrum unserer eigenen Galaxie", so der Doktorand Kris Pardo, Mitautor der Studie.

Die beiden supermassiven schwarzen Löcher sind besonders interessant, weil sie etwa 2,5 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt sind. Da die Betrachtung entfernter Objekte in der Astronomie wie ein Blick in die Vergangenheit ist, gehören die beiden zu einem Universum, das 2,5 Milliarden Jahre jünger ist als das unsere. Zufälligerweise ist das ungefähr die gleiche Zeitspanne, die nach Schätzungen von Astronomen dasSchwarze Löcher brauchen, um starke Gravitationswellen zu erzeugen.

Im gegenwärtigen Universum senden Schwarze Löcher diese Gravitationswellen bereits aus, aber selbst bei Lichtgeschwindigkeit werden uns die Wellen erst in Milliarden von Jahren erreichen. Dennoch sind die beiden nützlich: Ihre Entdeckung könnte den Wissenschaftlern helfen abzuschätzen, wie viele supermassereiche Schwarze Löcher in der Nähe Gravitationswellen aussenden, die wir jetzt schon entdecken könnten.

Die Entdeckung des Gravitationswellenhintergrunds würde helfen, einige der größten Unbekannten der Astronomie zu beantworten, z. B. wie oft Galaxien verschmelzen und ob Paare supermassereicher schwarzer Löcher verschmelzen oder ob sie in einem schier endlosen Walzer umeinander stecken bleiben.

"Es ist eine große Blamage für die Astronomie, dass wir nicht wissen, ob supermassereiche Schwarze Löcher verschmelzen", sagt Jenny Greene, Professorin für Astrophysik in Princeton und Mitautorin der Studie, "für alle, die sich mit der Physik Schwarzer Löcher befassen, ist dies ein langjähriges Rätsel, das wir lösen müssen."

Supermassive Schwarze Löcher können Millionen oder sogar Milliarden von Sonnen enthalten. Fast alle Galaxien, einschließlich unserer eigenen Milchstraße, enthalten mindestens einen dieser Giganten in ihrem Kern. Wenn Galaxien verschmelzen, treffen ihre supermassiven Schwarzen Löcher aufeinander und beginnen, sich gegenseitig zu umkreisen. Mit der Zeit wird diese Umlaufbahn enger, da das Gas und dieSterne gehen zwischen schwarzen Löchern hindurch und stehlen Energie.

Sobald die supermassereichen Schwarzen Löcher jedoch zu nahe kommen, hört dieser Energiediebstahl praktisch auf. Einige Theorien gehen davon aus, dass sie in einer Entfernung von etwa 1 Parsec (ca. 3,2 Lichtjahre) zum Stillstand kommen. Diese Verlangsamung dauert fast unendlich lange an und ist als "Endparsec-Problem" bekannt. In diesem Szenario können nur sehr selten Gruppen von drei oder mehr Schwarzen LöchernSupermassive führen zu Fusionen.

Astronomen können nicht einfach nach stillstehenden Paaren suchen, denn lange bevor Schwarze Löcher durch ein Parsec getrennt sind, sind sie zu nahe beieinander, um zwei getrennte Objekte zu unterscheiden. Außerdem erzeugen sie keine starken Gravitationswellen, bis sie das letzte Hindernis des Parsec überwunden haben und sich einander annähern. (So beobachtet, wie sie vor 2,5 Milliarden Jahren waren, sind supermassive Schwarze Löcherneu entdeckte erscheinen etwa 430 Parsec entfernt).

Wenn das ultimative Parsec-Problem kein Problem ist, dann erwarten die Astronomen, dass das Universum vom Lärm der Gravitationswellen erfüllt ist, die von Paaren supermassereicher schwarzer Löcher ausgehen, die gerade miteinander verschmelzen: "Dieses Rauschen wird Gravitationswellenhintergrund genannt, und es ist ein bisschen wie ein chaotischer Chor von Grillen, die nachts singen", sagte Goulding, "man kann keine Grille von der anderen unterscheiden, aber die LautstärkeDie Geräuschkulisse hilft dabei abzuschätzen, wie viele Grillen es da draußen gibt."

Wenn zwei supermassereiche Schwarze Löcher kollidieren und sich vereinigen, sendet die Kollision ein lautes "Zischen" aus, das den Hintergrundchor dämpft - aber es ist nicht leicht, es zu "hören".

Die verräterischen Gravitationswellen, die durch die Verschmelzung supermassiver schwarzer Löcher erzeugt werden, liegen außerhalb der Frequenzen, die derzeit von Experimenten wie LIGO und Virgo beobachtet werden können, die die Verschmelzung viel kleinerer schwarzer Löcher und Neutronensterne nachgewiesen haben. Wissenschaftler, die nach den größten Gravitationswellen von Kollisionen supermassiver schwarzer Löcher suchen, stützen sich auf spezielle SternanordnungenWenn eine vorbeiziehende Gravitationswelle den Raum zwischen der Erde und dem Pulsar dehnt oder staucht, weicht die Frequenz leicht ab.

Das Aufspüren des Hintergrunds der Gravitationswelle mit Hilfe eines dieser Pulsarzeitarrays erfordert Geduld und viele überwachte Sterne. Der Rhythmus eines einzelnen Pulsars kann im Laufe eines Jahrzehnts nur für einige hundert Nanosekunden unterbrochen werden. Je lauter das Hintergrundrauschen, desto größer die Zeitunterbrechungen und desto schneller der Nachweis.

Goulding, Greene und die anderen beobachtenden Astronomen des Teams entdeckten die beiden Titanen mit dem Hubble-Weltraumteleskop. Obwohl supermassereiche Schwarze Löcher mit einem optischen Teleskop wie Hubble nicht direkt sichtbar sind, sind sie von hellen Haufen leuchtender Sterne und heißem Gas umgeben, die von der starken Gravitationskraft angezogen werden. Für ihre Zeit in der Geschichte ist die Galaxiedie das neu entdeckte Paar supermassiver schwarzer Löcher beherbergt, "ist im Grunde die hellste Galaxie im Universum", so Goulding. Darüber hinaus schießen aus dem Kern der Galaxie zwei ungewöhnlich große Gaswolken heraus. Als sie Hubble auf die Galaxie richteten, um den Ursprung der spektakulären Gaswolken zu entdecken, stellten die Forscher fest, dass das System nicht nur eine, sondern zwei riesigeschwarze Löcher.

Die beobachtenden Astronomen haben sich dann mit den Gravitationswellenphysikern Mingarelli und Pardo zusammengetan, um die Entdeckung im Kontext des Gravitationswellenhintergrunds zu interpretieren. Die Entdeckung liefert einen Anhaltspunkt für die Schätzung, wie viele verschmelzende supermassereiche schwarze Löcher sich in Sichtweite der Erde befinden. Frühere Schätzungen stützten sich auf Computermodelle, wie oftGalaxien verschmelzen, und nicht etwa Beobachtungen von Paaren supermassereicher schwarzer Löcher.

Auf der Grundlage der Daten sagten Pardo und Mingarelli voraus, dass es in einem optimistischen Szenario etwa 112 nahe gelegene supermassive schwarze Löcher gibt, die Gravitationswellen aussenden. Die erste Entdeckung des Gravitationswellenhintergrunds aus der Verschmelzung supermassiver schwarzer Löcher sollte daher in den nächsten fünf Jahren erfolgen. Sollte eine solche Entdeckung nicht erfolgen, wäre dies ein Beweis dafür, dass dieDas Team untersucht derzeit andere Galaxien, die derjenigen ähneln, die das neu entdeckte binäre supermassive schwarze Loch beherbergt. Die Entdeckung weiterer Paare wird ihnen helfen, ihre Vorhersagen weiter zu verfeinern.

"Dies ist das erste Beispiel für ein enges Paar supermassereicher Schwarzer Löcher, das wir gefunden haben, aber es könnte noch weitere unentdeckte binäre Schwarze Löcher geben", sagte Mitautor Professor Michael Strauss, stellvertretender Vorsitzender der Abteilung für Astrophysikalische Wissenschaften in Princeton, und fügte hinzu: "Je mehr wir über die Population und die Verschmelzung Schwarzer Löcher erfahren können, desto besser werden wir den Prozess derGalaxienbildung und die Natur des Gravitationswellenhintergrunds".

SOURCE / Princeton Universität / DOI: 10.3847/2041-8213/ab2a14