En ekstremt lyssterk galakse nesten en halv milliard lysår unna kan gi forskere en sjelden mulighet: å følge en mulig kollisjon mellom to supermassive sorte hull i «sanntid» på menneskelige tidsskalaer, kanskje allerede i løpet av det neste århundret.
En ny analyse av det uvanlige lyset fra blazar-galaksen Mrk 501 peker mot at det ikke bare finnes ett, men to supermassive sorte hull i galaksens sentrum. Begge kan i så fall drive hver sin raske jetstråle av materiale. Dette er ikke en endelig bekreftelse, men ifølge en studie ledet av astronom Silke Britzen ved Max Planck Institute for Radio Astronomy i Tyskland er dette per nå den mest sannsynlige forklaringen på galaksens merkelige oppførsel.
Dersom tolkningen stemmer, kan det bringe forskningen nær et av de store målene i moderne kosmologi: å observere en sammenslåing av supermassive sorte hull, med masser fra millioner til milliarder ganger Solens masse.
– Så langt er ingen dobbel jetstruktur i kjernen til en blazar blitt påvist gjennom direkte avbildning. Derfor rapporterer dette arbeidet den første påvisningen av et dobbelt jetsystem, som igjen peker mot et binært system av supermassive sorte hull i kjernen av denne blazaren, skriver Britzen og kollegene i studien.
Sorte hull i galaksenes sentrum
Supermassive sorte hull antas å ligge i sentrum av de fleste store galakser. De kan bli enormt massive, og de reiser flere uløste spørsmål. Et av de viktigste er hvordan de i det hele tatt vokser seg så store.
Sorte hull med «stjernemasse» dannes når kjernen i en massiv stjerne kollapser mot slutten av livet. Slike sorte hull kan være titalls ganger mer massive enn Solen, og de kan slå seg sammen til større objekter. Men hvordan sorte hull kan ende opp med masser som er millioner av ganger større, er langt mer uklart.
En viktig årsak er at det fortsatt er vanskelig å måle gravitasjonsbølger fra sammenslåinger mellom supermassive sorte hull. Slike signaler ville vært et av de beste verktøyene for å forstå hvordan kjempene vokser gjennom kollisjoner og sammenslåinger.
Jetstråler avslører det som skjer
Supermassive sorte hull kan likevel avsløre seg på andre måter. Mange av dem sluker store mengder gass og støv som danner en roterende skive rundt hullet. Materialet blir ekstremt varmt og lyser kraftig.
Noe av stoffet som faller innover, kan også bli ledet langs magnetfelt og skutt ut fra polområdene som en smal, kraftig jet av plasma. Slike jetstråler kan være synlige i radiobølger, og kombinasjonen av en lyssterk skive og raske jetter er et tydelig tegn på et aktivt supermassivt sort hull.
Galakser kolliderer og smelter sammen gjennom universets historie. Når det skjer, vil de supermassive sorte hullene i galaksenes sentrum også trekkes mot hverandre. Astronomer har allerede funnet galakser som etter en sammenslåing har to eller flere supermassive sorte hull i kjernen, i baner som gradvis kan snevre seg inn.
Mrk 501: En vanskelig, men lovende kandidat
Mrk 501 ligger rundt 464 millioner lysår unna og har lenge vært mistenkt for å skjule et binært system av supermassive sorte hull. Galaksen er imidlertid en blazar, der en relativistisk jet peker nesten rett mot Jorden. Det gjør den ekstremt lyssterk over store deler av spekteret, og kan gjøre detaljstudier av kjernen mer krevende.
Britzen og forskergruppen brukte radioteleskoper med svært høy oppløsning for å følge endringer i sentrum av Mrk 501 ved flere radiobølgelengder. Observasjonene strakte seg over rundt 23 år, noe som gjorde det mulig å spore lyssterke strukturer i jetstrålen over tid.
Da forskerne rekonstruerte hvordan materialet beveget seg nær «motoren» i sentrum, dukket det opp et uventet mønster: Dataene kunne tyde på en ekstra, svakere jet som ser ut til å gå i en motklokkeretning rundt radiokjernen.
– Å analysere dataene føltes som å være på et skip. Hele jetsystemet er i bevegelse. Et system med to sorte hull kan forklare dette: Banen gynger, sier Britzen.
To rytmer i lyset
Forskerne modellerte bevegelsene og konkluderte med at funnene lettere kan forklares dersom et andre supermassivt sort hull er til stede. De fant to tydelige perioder i lysvariasjonene.
Den ene perioden var på rundt sju år, som kan passe med at jetsystemet «vobler», omtrent som en snurrebass som vakler.
Den andre perioden var på rundt 121 dager. Denne kan, ifølge forskerne, være forenlig med omløpstiden til to supermassive sorte hull som kretser rundt hverandre med en avstand på omtrent 250 til 540 ganger avstanden mellom Jorden og Solen. For så massive objekter er det ekstremt tett.
En mulig løsning på «den siste parsec»
Avstanden forskerne antyder tilsvarer bare en brøkdel av en parsec. En parsec er omtrent 3,2 lysår, og i teorien oppstår et kjent problem når supermassive sorte hull nærmer seg hverandre: den såkalte «final parsec»-utfordringen.
Modellene tilsier at når to supermassive sorte hull går i bane rundt hverandre, overfører de energi til stjerner og gass i nærheten, og banen krymper. Men når de kommer ned mot rundt én parsec, blir det mindre materiale igjen som kan «stjele» nok bevegelsesmengde til at sammentrekningen fortsetter effektivt. Da kan systemet i teorien stagnere i svært lang tid, i verste fall lengre enn universets nåværende alder.
Hvis Mrk 501 faktisk huser et binært supermassivt sort hull, kan separasjonen ifølge studien være så liten som rundt 0,0026 parsec. Det vil i så fall indikere at slike systemer likevel kan finne en vei forbi dette teoretiske hinderet.
Kan kollidere innen et århundre
Fordi det mulige paret i Mrk 501 ser ut til å ligge så tett, kan tiden frem til en sammenslåing være kort, mener forskerne: under 100 år.
Det gjør Mrk 501 til et svært interessant objekt å følge videre, særlig med metoder som pulsar-timing-arrays, som kan være i stand til å fange opp lavfrekvente gravitasjonsbølger fra et slikt system.
– Hvis gravitasjonsbølger blir oppdaget, kan vi kanskje se frekvensen øke jevnt etter hvert som de to gigantene spiraliserer mot kollisjon. Det vil gi en sjelden mulighet til å følge en sammenslåing av supermassive sorte hull mens den utspiller seg, sier astronom Héctor Olivares ved Radboud University i Nederland.
Studien er akseptert for publisering i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
