Tähtitieteilijät ovat havainneet kaukaisen parin titaanimaisia mustia aukkoja törmäyskurssilla.

Molempien mustien aukkojen massa on yli 800 miljoonaa kertaa aurinkomme massa. Kun nämä kaksi mustaa aukkoa vähitellen lähestyvät toisiaan kuoleman kierteessä, ne alkavat lähettää gravitaatioaaltoja, jotka aaltoilevat avaruusajan halki. Nämä kosmiset aaltoilut lisäävät muiden supermassiivisten mustien aukkojen aiheuttamien gravitaatioaaltojen toistaiseksi havaitsemattoman taustakohinan. Jopa ennenkuinsuunniteltu törmäys, supermassiivisten mustien aukkojen parista lähtevät gravitaatioaallot jättävät varjoonsa paljon pienempien mustien aukkojen ja neutronitähtien sulautumisista aiemmin havaitut aallot.

"Massiivisten galaksien yhteentörmäykset luovat kaikkein äärimmäisimpiä tuntemiamme ympäristöjä, ja niiden pitäisi teoriassa huipentua kahden supermassiivisen mustan aukon kohtaamiseen, joten oli uskomattoman jännittävää löytää näin energinen ja läheinen mustien aukkojen pari Hubble-avaruusteleskoopin kuvista", sanoo Andy Goulding, astrofysiikan tutkijatohtori Andy Goulding.Princetonissa, joka on 10. heinäkuuta Astrophysical Journal Letters -lehdessä julkaistun artikkelin pääkirjoittaja.

"Kaksoissupermassiiviset mustat aukot tuottavat maailmankaikkeuden suurimmat gravitaatioaallot", sanoo löytäjänä ja toisena kirjoittajana toiminut Chiara Mingarelli, apulaistutkija New Yorkissa sijaitsevan Flatiron-instituutin laskennallisen astrofysiikan keskuksessa. Supermassiivisten mustien aukkojen parien gravitaatioaallot "ovat miljoona kertaa suuremmat kuin ne, jotka LIGO havaitsi".

"Kun nämä supermassiiviset mustat aukot sulautuvat yhteen, ne luovat mustan aukon, joka on satoja kertoja suurempi kuin oman galaksimme keskellä oleva musta aukko", sanoo gradun toinen kirjoittaja Kris Pardo.

Nämä kaksi supermassiivista mustaa aukkoa ovat erityisen mielenkiintoisia, koska ne ovat noin 2,5 miljardin valovuoden päässä Maasta. Koska kaukana olevien kohteiden tarkastelu tähtitieteessä on kuin katselisi ajassa taaksepäin, pari kuuluu maailmankaikkeuteen, joka on 2,5 miljardia vuotta nuorempi kuin oma maailmankaikkeutemme. Sattumoisin tämä on suunnilleen sama aika, jonka tähtitieteilijät arvioivatmustat aukot alkavat tuottaa voimakkaita gravitaatioaaltoja.

Nykyisessä maailmankaikkeudessa mustat aukot jo säteilevät näitä gravitaatioaaltoja, mutta valonnopeudellakaan aallot eivät saavuta meitä miljardeihin vuosiin. Parista on kuitenkin hyötyä. Niiden löytö voisi auttaa tutkijoita arvioimaan, kuinka monta lähellä sijaitsevaa supermassiivista mustaa aukkoa säteilee gravitaatioaaltoja, jotka voisimme havaita juuri nyt.

Gravitaatioaallon taustan havaitseminen auttaisi vastaamaan joihinkin tähtitieteen suurimpiin tuntemattomiin kysymyksiin, kuten siihen, kuinka usein galaksit sulautuvat toisiinsa ja sulautuvatko supermassiivisten mustien aukkojen parit toisiinsa vai juuttuvatko ne lähes loputtomaan valssiin toistensa ympärillä.

"Tähtitieteelle on suuri häpeä, ettemme tiedä, sulautuvatko supermassiiviset mustat aukot yhteen", sanoo Jenny Greene, Princetonin astrofysiikan professori ja artikkelin toinen kirjoittaja. "Kaikille mustien aukkojen fysiikan alalla työskenteleville tämä on pitkäaikainen arvoitus, joka meidän on ratkaistava."

Supermassiiviset mustat aukot voivat sisältää miljoonien tai jopa miljardien aurinkojen massan. Lähes kaikki galaksit, myös oma Linnunratamme, sisältävät ainakin yhden tällaisen jättiläisen ytimessään. Kun galaksit sulautuvat yhteen, niiden supermassiiviset mustat aukot kohtaavat toisensa ja alkavat kiertää toisiaan. Ajan mittaan tämä kiertorata tiivistyy, kun kaasu jatähdet kulkevat mustien aukkojen välistä ja varastavat energiaa.

Kun supermassiiviset mustat aukot pääsevät liian lähelle, tämä energiavarkaus kuitenkin käytännössä pysähtyy. Joidenkin teorioiden mukaan ne pysähtyvät noin 1 parsekin etäisyydelle (noin 3,2 valovuoden päähän). Tämä hidastuminen kestää lähes loputtomiin, ja sitä kutsutaan "viimeisen parsekin ongelmaksi". Tässä skenaariossa vain hyvin harvinaiset kolmen tai useamman mustan aukon ryhmätsupermassat johtavat fuusioihin.

Tähtitieteilijät eivät voi vain etsiä pysähtyneitä pareja, sillä jo kauan ennen kuin mustat aukot ovat parsekin päässä toisistaan, ne ovat liian lähellä erottaakseen toisistaan kaksi erillistä kohdetta. Lisäksi ne eivät tuota voimakkaita gravitaatioaaltoja ennen kuin ne ylittävät parsekin viimeisen esteen ja lähestyvät toisiaan. (2,5 miljardia vuotta sitten havaittuina supermassiiviset mustat aukothiljattain löydetty ilmestyy noin 430 parsekin päässä).

Jos perimmäinen parsek-ongelma ei ole ongelma, tähtitieteilijät odottavat, että maailmankaikkeus on täynnä sulautumassa olevien supermassiivisten mustien aukkojen parien aiheuttamien gravitaatioaaltojen ääniä. "Tätä melua kutsutaan gravitaatioaaltotaustaksi, ja se on vähän kuin kaoottinen sirkkojen kuoro, joka laulaa yöllä", Goulding sanoo. "Sirkkaa ei voi erottaa toisesta, mutta sen määrä on niin suuri, että se on suuri.ääni auttaa sinua arvioimaan, kuinka monta sirkkaa siellä on."

Jos kaksi supermassiivista mustaa aukkoa törmäävät ja yhdistyvät, törmäys lähettää äänekkään "sihinän", joka vaimentaa taustakuoroa - mutta sen "kuuleminen" ei ole helppoa.

Supermassiivisten mustien aukkojen sulautumien synnyttämät paljastavat gravitaatioaallot eivät kuulu niiden taajuuksien piiriin, joita LIGO:n ja Virgon kaltaiset kokeet, jotka ovat havainneet paljon pienempien mustien aukkojen ja neutronitähtien sulautumia, voivat tällä hetkellä havaita. Supermassiivisten mustien aukkojen törmäysten aiheuttamia suurimpia gravitaatioaaltoja etsivät tiedemiehet turvautuvat erityisiin tähtijoukkoihin.Jos ohi kulkeva gravitaatioaalto venyttää tai puristaa Maan ja pulsarin välistä tilaa, nopeus poikkeaa hieman.

Gravitaatioaallon taustan havaitseminen tällaisella pulsarin aikamäärityksellä vaatii kärsivällisyyttä ja runsaasti valvottuja tähtiä. Yksittäisen pulsarin rytmi voi katketa vain muutamaksi sadaksi nanosekunniksi vuosikymmenen aikana. Mitä kovempi taustahäly on, sitä suuremmat ovat aikakatkokset ja sitä nopeampi on havaitseminen.

Goulding, Greene ja muut ryhmän tähtitieteilijät havaitsivat nämä kaksi titaania Hubble-avaruusteleskoopilla. Vaikka supermassiiviset mustat aukot eivät näy suoraan Hubblen kaltaisella optisella teleskoopilla, niitä ympäröivät kirkkaat tähtijoukot ja kuuma kaasu, joita voimakas gravitaatioveto vetää puoleensa. Aikansa galaksien historiassajosta löytyy äskettäin löydetty supermassiivisten mustien aukkojen pari, "on periaatteessa maailmankaikkeuden kirkkain galaksi", Goulding sanoi. Lisäksi galaksin ytimestä purkautuu kaksi epätavallisen valtavaa kaasupilveä. Kun tutkijat kohdistivat Hubble-kuvauslaitteen Hubble-kuvauslaitteen siihen selvittääkseen sen näyttävien kaasupilvien alkuperän, he huomasivat, että järjestelmässä oli yhden sijaan kaksi valtavaa kaasupilveä.mustia aukkoja.

Havaintotähtitieteilijät tekivät sitten yhteistyötä gravitaatioaaltofyysikoiden Mingarellin ja Pardon kanssa tulkitakseen löydön gravitaatioaaltotaustan yhteydessä. Löytö tarjoaa kiintopisteen sen arvioimiseksi, kuinka monta sulautuvaa supermassiivista mustaa aukkoa on aistietäisyydellä maapallosta. Aiemmat arviot perustuivat tietokonemalleihin siitä, kuinka monta kertaagalaksien sulautumista, eikä niinkään todellisia havaintoja supermassiivisten mustien aukkojen pareista.

Aineiston perusteella Pardo ja Mingarelli ennustivat, että optimistisen skenaarion mukaan gravitaatioaaltoja säteileviä supermassiivisia mustia aukkoja on lähistöllä noin 112. Ensimmäisen havainto supermassiivisten mustien aukkojen sulautumista aiheutuvasta gravitaatioaaltotaustasta pitäisi siis tapahtua noin viiden seuraavan vuoden aikana. Jos tällaista havaintoa ei tehdä, se olisi todiste siitä, ettäparsekin viimeinen ongelma saattaa olla ylitsepääsemätön. Ryhmä tutkii parhaillaan muita samanlaisia galakseja kuin se, jossa on äskettäin löydetty kaksoissupermassiivinen musta aukko. Uusien parien löytäminen auttaa heitä tarkentamaan ennusteitaan entisestään.

"Tämä on ensimmäinen löytämämme esimerkki supermassiivisten mustien aukkojen läheisestä parista, mutta voi olla hyvinkin olemassa muitakin löytämättömiä kaksoismustia aukkoja", sanoo toinen kirjoittaja professori Michael Strauss, Princetonin astrofysikaalisten tieteiden laitoksen apulaisprofessori. "Mitä enemmän opimme mustien aukkojen populaatiosta ja fuusiosta, sitä paremmin ymmärrämme mustien aukkojen syntyprosessia.galaksien muodostuminen ja gravitaatioaaltotaustan luonne".

LÄHDE / Princetonin yliopisto / DOI: 10.3847/2041-8213/ab2a14