Met behulp van archieftelescoopgegevens Gemini Noordhebben astronomen het zwaarste paar superzware zwarte gaten ooit gemeten. De samensmelting van twee superzware zwarte gaten is een fenomeen dat al lang wordt voorspeld, maar nooit is waargenomen. Dit enorme paar geeft aanwijzingen waarom een dergelijke gebeurtenis in het universum onwaarschijnlijk lijkt.
Bijna elk massief sterrenstelsel bevat een superzwaar zwart gat in het centrum. Wanneer twee sterrenstelsels samensmelten, kunnen hun zwarte gaten een binair paar vormen, dat wil zeggen dat ze zich in een gebonden baan met elkaar bevinden. Er wordt verondersteld dat deze binaire paren voorbestemd zijn om in de loop van de tijd te fuseren, maar dit is nooit waargenomen. De vraag of een dergelijke gebeurtenis mogelijk is, is al tientallen jaren een onderwerp van discussie onder astronomen.
Astronomen gebruikten gegevens van de Gemini North-telescoop op Hawaï, de helft van het Gemini International Observatory van het NOIRLab van het National Institute of Physics, om het superzware binaire zwarte gat in het elliptische sterrenstelsel B2 0402+379 te analyseren. Het is het enige superzware binaire zwarte gat dat voldoende gedetailleerd is waargenomen om beide objecten afzonderlijk te kunnen zien, en het heeft het record voor de kortste afstand die direct is gemeten, slechts 24 lichtjaar. Hoewel een dergelijke korte afstand veel goeds belooft voor een krachtige fusie, bleek uit verder onderzoek dat het paar al meer dan drie miljard jaar op deze afstand vastzit, wat de vraag oproept: wat is de reden voor de vertraging?
Om de dynamiek van dit systeem en de vastgelopen fusie beter te begrijpen, wendde het team zich tot archiefgegevens van de Gemini North Multi-Object Spectrograph (GMOS), waarmee ze de snelheden van sterren in de buurt van zwarte gaten konden bepalen.
"Dankzij de opmerkelijke gevoeligheid van GMOS konden we de snelheidstoename van sterren in kaart brengen als ze het centrum van de Melkweg naderen", zegt Roger Romani, hoogleraar natuurkunde aan Stanford University en co-auteur van het artikel. “Hierdoor konden we een conclusie trekken over de totale massa zwarte gaten die er zijn.”
Het team schat dat de massa van het binaire zwarte gat 28 miljard keer zo groot is als die van de zon, waardoor het paar het zwaarste binaire zwarte gat ooit is gemeten. Deze meting biedt niet alleen waardevolle context voor de vorming van het binaire systeem en de geschiedenis van zijn gaststelsel, maar bevestigt ook de al lang bestaande theorie dat de massa van een superzwaar binair zwart gat een sleutelrol speelt bij het tegenhouden van een mogelijke fusie.
"Het gegevensarchief van het Gemini International Observatory bevat een goudmijn van onaangeboorde wetenschappelijke ontdekkingen", zegt Martin Still, NSF-programmadirecteur van het Gemini International Observatory. "Het meten van de massa van dit superzware binaire zwarte gat is een treffend voorbeeld van de potentiële impact van nieuw onderzoek naar dit rijke archief."
Als we begrijpen hoe dit binaire getal is ontstaan, kan dit helpen voorspellen of en wanneer het zal samensmelten. Verschillende aanwijzingen geven aan dat het paar is ontstaan uit de samensmelting van meerdere sterrenstelsels. Ten eerste is B2 0402+379 een ‘fossiele cluster’, dat wil zeggen het resultaat van de fusie van sterren en gas van een hele cluster van sterrenstelsels tot één massief sterrenstelsel. Bovendien suggereert de aanwezigheid van twee superzware zwarte gaten, gecombineerd met hun grote gecombineerde massa, dat ze zijn ontstaan uit de samensmelting van verschillende kleinere zwarte gaten uit verschillende sterrenstelsels.
Na een galactische fusie botsen superzware zwarte gaten niet frontaal. In plaats daarvan beginnen ze langs elkaar heen te vliegen en komen ze in een beperkte baan terecht. Bij elke passage wordt energie overgedragen van de zwarte gaten naar de omringende sterren. Terwijl ze energie verliezen, wordt het paar steeds dichterbij getrokken totdat ze lichtjaren van elkaar verwijderd zijn, waar zwaartekrachtstraling het overneemt en ze samensmelten. Dit proces is rechtstreeks waargenomen in paren van stellaire zwarte gaten – het eerste geval werd in 2015 geregistreerd dankzij de detectie van zwaartekrachtsgolven – maar is nog nooit waargenomen in binaire superzware systemen.
Met nieuwe kennis over de extreem grote massa van het systeem kwam het team tot de conclusie dat er een extreem groot aantal sterren nodig zou zijn om de baan van het dubbelstersysteem voldoende te vertragen om ze dichter bij elkaar te brengen. Daarbij lijken zwarte gaten bijna alle materie om hen heen te hebben uitgestoten, waardoor de galactische kern verstoken is van sterren en gas. Omdat er geen materiaal meer was om de baan van het paar verder te vertragen, kwam hun fusie in de laatste fase tot stilstand.
‘Stelselstelsels met lichtere paren van zwarte gaten lijken meestal voldoende sterren en massa te hebben om snel dichtbij te komen’, zegt Romani. “Omdat dit paar zo zwaar is, heeft het veel sterren en gas nodig om de klus te klaren. Maar de dubbelster heeft het centrale sterrenstelsel van dergelijke materie gezuiverd, waardoor het bevroren bleef en beschikbaar was voor ons onderzoek."
Of ze de stagnatie zullen overwinnen en uiteindelijk over miljoenen jaren zullen samensmelten, of voor altijd in een orbitaal limbo zullen blijven, valt nog te bezien. Als ze samensmelten, zullen de resulterende zwaartekrachtsgolven 100 miljoen keer krachtiger zijn dan de golven die worden geproduceerd door het samensmelten van zwarte gaten met stellaire massa.
Het is mogelijk dat het paar deze laatste afstand zou kunnen overbruggen door een nieuwe galactische fusie, die extra materiaal in het systeem zou blazen, of misschien een derde zwart gat, om de baan van het paar voldoende te vertragen om te kunnen samensmelten. Gezien de status van B2 0402+379 als fossiele cluster is een nieuwe fusie van sterrenstelsels echter onwaarschijnlijk.
"We kijken uit naar verdere studies van de kern van B2 0402+379, waar we zullen zien hoeveel gas het bevat", zegt Tirth Surti, een afgestudeerde student aan Stanford en hoofdauteur van het artikel. "Dit zal ons meer inzicht geven in de vraag of superzware zwarte gaten in de loop van de tijd kunnen samensmelten, of dat ze een binair systeem zullen blijven."
Lees ook: