Niezwykłe odkrycie – trzy czarne dziury w jednej galaktyce

Dwie pobliskie czarne dziury generują skręcone spiralnie dżety plazmy, podczas gdy nieco dalej leżący, trzeci składnik ma dżety mniej zakłócone przez dwa pozostałe, a zatem dużo prostsze. Źródło: NASA Goddard

W galaktyce znajdującej się cztery miliardy lat świetlnych stąd znaleziony został ciasny układ trzech okrążających się wzajemnie czarnych dziur – najbardziej zwarty ze wszystkich jak dotąd nam znanych. Może to oznaczać, że takie układy są bardziej powszechne, niż dotychczas sądzono.

Układ znany jako SDSS J150243.091111557.3 został po raz pierwszy zidentyfikowany przed czterema laty jako kwazar – czyli, w dużym uproszczeniu, supermasywna czarna dziura położona w centrum odległej galaktyki, szybko ściągająca na siebie jej materię w procesie akrecji i na skutek tego procesu wyjątkowo jasno świecąca. Jednak widmo tego „kwazara” było nieco dziwne. Znajdywała się w nim charakterystyczna linia emisyjna podwójnie zjonizowanego tlenu [OIII], podzielona na dwa wysokie piki, zamiast – jak zwykle w takich przypadkach– jednego. Wówczas wysunięto tezę, że w galaktyce tej skrywa się nie jedna, ale dwie osobne, aktywne, supermasywne czarne dziury.

Galaktyki aktywne mają zazwyczaj jednopikowe, wąskie linie emisyjne, które powstają w obszarze obłoków zjonizowanego gazu, jeśli więc w tym przypadku widać było wyraźnie dwupikowe linie w widmie, sugerowało to, że w jądrze galaktyki są aż dwa niezależne obszary silnie zjonizowanego gazu, a zatem najprawdopodobniej i dwie olbrzymie czarne dziury. Ale jedną z tych czarnych dziur spowijał pył.

Astronomowie wykorzystali jednak technikę znaną jako Very Long Baseline Interferometry (VLBI), która wykorzystuje wspólną moc największych, oddalonych od siebie o tysiące kilometrów radioteleskopów. Ich sygnały są elektronicznie sumowane. Daje to łączną zdolność rozdzielczą 50 razy większą niż w przypadku Kosmicznego Teleskopu Hubble'a. Obserwacje wykonane przy użyciu tzw. Europejskiej sieci VLBI (EVN - European VLBI Network), złożonej z anten zlokalizowanych w różnych krajach Europy, Chin, Rosji i Ameryki Południowej, dowiodły, że to, co początkowo uważano za ukrytą w pyle, drugą czarną dziurę, jest w rzeczywistości dwiema osobnymi. Zatem cały układ składa się z trzech, a nie dwóch supermasywnyh czarnych dziur. Było to dla naukowców sporym zaskoczeniem.

Według jednego z nich, Rogera Deane, dostrzeżenie szczegółów tak odległego układu było możliwe jedynie dzięki Europejskiej Sieci EVN. Warto w tym miejscu wspomnieć o polskim wkładzie w te badania. J1502 +1115 obserwowano na wysokiej częstotliwości radiowej 5 GHz z wykorzystaniem nowoczesnej techniki e-VLBI, 12 kwietnia 2011 roku, przez około 1,5 godziny. W obserwacjach uczestniczyły następujące radioteleskopy: Effelsberg (Niemcy), Jodrell Bank (Wielka Brytania), Hartebeesthoek (Republika Południowej Afryki), Sheshan (Chiny), Medicina (Włochy), Onsala (Szwecja), Toruń (Polska), Yebes (Hiszpania) oraz interferometr radiowy Phased-array Westerbork Synthesis Radio Telescope (WSRT) w Holandii. (Więcej na temat obserwacji radiowych można przeczytać w artykule autorstwa Grażyny Gawrońskiej.)

Przed dokonaniem tego ciekawego odkrycia Deane i jego współpracownicy zbadali sześć podobnych galaktyk. Szukali głównie obiektów z dwiema lub więcej czarnymi dziurami. Fakt, że jeden z nich znaleziono tak szybko sugeruje, że mogą one być bardziej powszechne, niż wcześniej sądzono. Do niedawna znano tylko cztery potrójne układy czarnych dziur, przy czym odległość przestrzenna w przypadku dwóch najbliżej krążących wokół siebie składników wynosiła około 2.4 kiloparseka, czyli aż 2000 odległości od Ziemi do najbliższej gwiazdy, Proximy Centauri. Jednak najmniejsza odległość pomiędzy dwoma obiektami w nowo odkrytym układzie J1502 +1115 jest znacznie mniejsza i wynosi tylko 140 parseków.

Choć Deane i jego koledzy oparli się w swych badaniach głównie się na fenomenalnej rozdzielczości VLBI, dzięki której rozdzielenie dwóch przestrzennie zbliżonych do siebie czarnych dziur było w ogóle możliwe, wykazali również, że ich obecność może wynikać z bardziej wielkoskalowych cech. Na przykład ruch orbitalny czarnej dziury wpływa na obraz towarzyszących jej, potężnych dżetów plazmy, skręcając je do bardziej spiralnego kształtu. Dzięki temu takie układy wielokrotne będzie można prawdopodobnie wykrywać również za pomocą mniejszych teleskopów wyposażonych w odpowiednia instrumenty obserwacyjne.

Odkrycie może nieść za sobą kilka ważnych konsekwencji dla nauki. Po pierwsze, rzuca całkiem nowe światło na ewolucję galaktyk. Dwie lub trzy supermasywne czarne dziury w galaktyce są niezbitym dowodem na to, że jedna z galaktyka połączyła się z drugą  lub z dwiema innymi. Obserwując je i badając dokładniej astronomowie mogą więc wyjaśnić, jak galaktyki przekształcają się i łączą, osiągając współczesne kształty i rozmiary. Po drugie – pozwoli to lepiej zbadać zjawisko znane jako promieniowanie grawitacyjne. Ogólna teoria względności Einsteina przewiduje, że gdy jedna z dwóch lub trzech czarnych dziur w takim układzie porusza się z dużą prędkością ruchem spiralnym ku centrum mas, w przestrzeni zaczynają rozchodzić się będące od dawna obiektem zainteresowania fizyki fale grawitacyjne, czyli jak gdyby zmarszczki w tkaninie czasoprzestrzeni. Fale takie będą mogły zmierzyć radioteleskopy nowej generacji. Matt Jarvis z uniwersytetów w Oxfordzie i Western Cape uważa ponadto, że już planowany obecnie, wielki interferometr SKA (Square Kilometer Array) pozwoli nam na znalezienie i zbadanie takich układów w najdrobniejszych szczegółach, dzięki czemu zrozumiemy, w jaki sposób na przestrzeni kosmicznych dziejów czarne dziury kształtują same galaktyki.

Cały artykuł (R. P. Deane et al., A close-pair binary in a distant triple supermassive black hole system) został opublikowany w najnowszym numerze Nature.

Więcej na ten temat:

http://www.universetoday.com/112788/three-supermassive-black-holes-tango-in-a-distant-galaxy-marking-a-huge-discovery/#ixzz367W8is7U
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature13511.html
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature13454.html




Liczba odsłon: 1850


Sieć interferometryczna VLBI. Źródło: Roger Deane




Wewnętrzna para supermasywnych czarnych dziur układu potrójnego, widziana siecią European VLBI Network (EVN). Źródło: R.P. Deane et al.