Supermasivní černé díry pozorované v těsném tanci

Astronomové změřili pohyby těsného páru superhmotných černých děr oddělených pouhých 24 světelných let v nedaleké galaxii.

Tento snímek Hubbleovho vesmírného dalekohledu Arp 148 neboli „Mayall's Object“ zachycuje kolizi galaxií ve vzdálenosti asi 500 milionů světelných let v Ursa Major.
NASA / ESA / Hubble Heritage Team / ESA / Hubble Collaboration / A. Evans / K. Noll / J. Westphal

Galaxie neustále narážejí, kosmologicky řečeno. Na noční obloze vidíme tyto vzdálené srážky a dokonce můžeme vypočítat osud naší vlastní galaxie v masivním mash-upu se sousední galaxií Andromeda.

Vliv galaktických srážek na hvězdy je fantastický, protože gravitační interakce galaxií posílají jejich hvězdné členy do proudů a víří. Účinek na superhmotné černé díry, které se skrývají ve středu většiny velkých galaxií, je však stále úžasnější, protože více sil přiblíží oba monstra k sobě, dokud se nakonec nespojí.

Přesto, i když černé díry jsou desetník tuctu a galaktické srážky běžné, supermasivní páry černých děr byly překvapivě obtížné najít. Přes měření tisíců galaxií našli astronomové přesně jednu blízkou dvojici supermasivních černých děr, oddělených pouze 24 světelnými roky (méně než Kessel Run), ve středu galaxie dabované 0402 + 379.

Nyní, postgraduální studentka Karishma Bansal (University of New Mexico) a její kolegové změřili pohyby tohoto páru pomocí rádiových pozorování, která trvají 12 let. Výsledky jsou publikovány v 1. astrofyzikálním časopise .

Bansal a jeho kolegové vytvořili pomocí velmi dlouhé základní linie a techniky zvané velmi dlouhé základní linie interferenci ostré obrazy jádra galaxie na několika rádiových frekvencích. Tým reanalyzoval dvě předchozí pozorování z let 2003 a 2005, zatímco představil nová pozorování z let 2009 a 2015.

Tento snímek Velmi dlouhé základní linie centrální oblasti galaxie 0402 + 379 ukazuje dvě rádiové body označené C1 a C2 spojené s párem superhmotných černých děr na oběžné dráze kolem sebe.
Bansal a kol. / NRAO / AUI / NSF

Obrázky ukazují dvě světlé skvrny vyzařování z trysek černých děr. Magnetická pole se obepínají kolem těchto úzkých proudů plazmy, když vystřelují z pólů černé díry, čímž odnášejí malé množství materiálu, který by jinak vstoupil do tlapy. Rádiové vyzařování, které vidíme, pochází z plazmatických elektronů interagujících s magnetickým polem. Bansal a jeho kolegové měřili v průběhu let pohyb rádiových spotů po obloze, aby zjistili, jak rychle se černé díry pohybovaly.

Tým sledoval, jak se tyto dvě černé díry pohybují vzájemně vůči sobě rychlostí 4 miliony mil / h, neboli 0, 5% rychlosti světla. Budou trvat asi 30 000 let, než dokončí jednu oběžnou dráhu a autoři navrhnou, že se sloučí miliony let.

The Final Parsec Problem

Mohlo by se zdát zřejmé, že střet dvou galaxií by nakonec vedl ke sloučení jejich středních černých děr, ale není to tak. Přemýšlejte o sluneční soustavě Země obíhá kolem Slunce asi 4, 5 miliardy let a s největší pravděpodobností bude na své oběžné dráze pokračovat dalších 5 miliard let. Pokud Země nějak neztratí hybnost, např. Při blízkém střetu nebo střetu s jiným masivním objektem, není důvod, aby se náhle dostala do Slunce.

Totéž platí pro černé díry. Zpočátku je dost snadné, aby se dvě černé díry vydaly blíže k sobě prostřednictvím gravitačních interakcí mezi nimi a plynem, prachem a hvězdami létajícími během galaktické srážky. A nakonec, když budou černé díry ve vzdálenosti plivání, budou emitovat gravitační vlny, které pohání jejich vnitřní spirálu. Je to mezi vzdálenými a blízkými fázemi, které způsobují problém, obvykle označovaný jako problém „finálních parsec“.

Umělecké pojetí dvojice superhmotných černých děr ve středu galaxie 0402 + 379, 750 milionů světelných let od Země.
Josh Valenzuela / Univ. Nového Mexika

Pokud jsou černé díry od sebe vzdáleny jen několik světelných let, simulace ukazují, že černé díry již odpružily všechny okolní hvězdy a další materiál, ale gravitační vlny, které vyzařují, nejsou dostatečně silné, aby změnily své oběžné dráhy. Z pozorování gravitačních vln LIGO přesto víme, že k fúzím černých děr dochází, i když měření LIGO jsou spíše hvězdnou hmotou než supermasivní variantou.

Spoluautor Gregory Taylor (University of New Mexico) spekuluje, že během galaktického pileupu materiál jednoduše klesá do středu, což umožňuje, aby se binární černé díry spojily.

"Podle mého názoru, " říká Taylor, "pár v budoucnu sloučí miliony let."

Zdůvodnění je jednoduché, vysvětluje. Většina velkých galaxií je hostitelem supermasivní černé díry a galaktických srážek oplývá, ale 0402 + 379 je jediný příklad, který víme o těsném páru supermasivních černých děr a ne hledáme. To dává smysl, pokud k této mezistupni dochází rychle, přinejmenším v kosmologických časových horizontech.

"Pokud by bylo mnoho zastavených systémů, " říká Taylor, "tak proč je nevidíme?"

Ať už je to zastavené nebo ne, nikdy neuvidíme, jak se tento konkrétní pár spojí do jednoho, ale přesto představuje vzrušující pozorovací cíl pro pochopení toho, jak fúze černých děr fungují. Tým plánuje pokračovat v rádiových pozorováních, protože ke stanovení přesných orbitálních parametrů jsou zapotřebí dvě další pozorování. Ale budou také potřebovat trpělivost. Astronomové musí počkat, až se černé díry dostatečně pohybují ve vzájemné oběžné dráze, takže nejdříve v roce 2019 očekávejte další pozorování.