Nehmen Sie sich eine Minute Zeit, um ein Video eines Systems aus drei Galaxien - SDSS J0849 + 1114 - anzusehen, die sich alle eine Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt umkreisen. Jede Galaxie enthält ein supermassives Schwarzes Loch, das sich gegenseitig umkreist und dabei ist, zusammenzustoßen.
Astronomen, die mit Daten des weltraumgestützten Chandra-Röntgenobservatoriums arbeiten, sagten diese Woche (25. September 2019), sie hätten drei supermassereiche Schwarze Löcher auf einem Kollisionskurs lokalisiert. Das System, in dem diese dreifache Fusion von Schwarzen Löchern stattfindet, heißt SDSS J0849 + 1114. Es liegt ungefähr eine Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt. Teleskope am Boden und im Weltraum - darunter Chandra, Hubble, WISE und NuSTAR - haben die Szene eingefangen, die Wissenschaftler nennen:
… Der bisher beste Beweis für ein Trio riesiger Schwarzer Löcher.
So viele Systeme haben wir bisher noch nicht gesehen. Und doch, so glauben Astronomen, spielen Triplett-Kollisionen wie diese eine entscheidende Rolle für das Wachstum der größten Schwarzen Löcher im Laufe der Zeit. Ryan Pfeifle von der George Mason University in Fairfax, Virginia, ist der erste Autor eines neuen Artikels in der Peer-Review-Studie Astrophysical Journal, die diese Ergebnisse beschreibt (vor hier). Er sagte:
Wir haben zu der Zeit nur nach Paaren von Schwarzen Löchern gesucht, und dennoch sind wir durch unsere Auswahltechnik auf dieses erstaunliche System gestoßen. Dies ist der stärkste Beweis, der bisher für ein derart dreifaches System gefunden wurde, bei dem supermassereiche Schwarze Löcher aktiv gefüttert werden.
Diese Wissenschaftler haben ihren Prozess folgendermaßen beschrieben:
Um diese seltene Trifekta des Schwarzen Lochs aufzudecken, mussten die Forscher Daten von Teleskopen sowohl am Boden als auch im Weltraum kombinieren. Das Teleskop Sloan Digital Sky Survey, mit dem große Teile des Himmels in optischem Licht aus New Mexico gescannt werden, bildete zunächst SDSS J0849 + 1114 ab. Mit Hilfe von Bürgerwissenschaftlern, die an einem Projekt namens Galaxy Zoo teilnahmen, wurde es dann als ein System kollidierender Galaxien markiert.
Daten aus der WISE-Mission (Wide-Field Infrared Survey Explorer) der NASA ergaben, dass das System während einer Phase der Galaxienfusion, in der mehr als eines der Schwarzen Löcher sich voraussichtlich schnell ernähren wird, intensiv im Infrarotlicht leuchtet. Um diesen Hinweisen nachzugehen, wandten sich die Astronomen an Chandra und das Large Binocular Telescope in Arizona.
Die Chandra-Daten enthüllten Röntgenquellen - ein verräterisches Zeichen dafür, dass Material von den Schwarzen Löchern verbraucht wird - an den hellen Zentren jeder Galaxie der Fusion, genau dort, wo Wissenschaftler supermassereiche Schwarze Löcher erwarten. Chandra und das Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) der NASA fanden ebenfalls Hinweise auf große Mengen an Gas und Staub in der Umgebung eines der Schwarzen Löcher, die für ein sich verschmelzendes Schwarzes-Loch-System typisch sind.
Die Co-Autorin Christina Manzano-King von der University of California, Riverside, sagte:
Optische Spektren enthalten eine Fülle von Informationen über eine Galaxie. Sie werden häufig verwendet, um aktiv ansteigende supermassereiche Schwarze Löcher zu identifizieren, und können den Einfluss widerspiegeln, den sie auf die Galaxien haben, in denen sie leben.
Diese Astronomen sagten, ein Grund, warum es schwierig ist, ein Triplett supermassereicher Schwarzer Löcher zu finden, ist, dass die Löcher wahrscheinlich in Gas und Staub gehüllt sind und einen Großteil ihres Lichts blockieren. Die Infrarotbilder von WISE, die Infrarotspektren von LBT und die Röntgenbilder von Chandra umgehen dieses Problem, da Infrarot- und Röntgenlicht Gaswolken viel leichter durchdringen als optisches Licht. Pfeifle erklärte:
Durch die Verwendung dieser großen Observatorien haben wir eine neue Methode zur Identifizierung dreifacher supermassiver Schwarzer Löcher identifiziert. Jedes Teleskop gibt uns einen anderen Hinweis darauf, was in diesen Systemen vor sich geht. Wir hoffen, unsere Arbeit ausweiten zu können, um mit der gleichen Technik weitere Tripel zu finden.
Eine andere Mitautorin des neuen Papiers, Shobita Satyapal, ebenfalls von George Mason, erklärte, warum dieses System für Wissenschaftler aufregend ist:
Doppelte und dreifache Schwarze Löcher sind äußerst selten, aber solche Systeme sind eigentlich eine natürliche Folge von Galaxienfusionen, von denen wir glauben, dass sie das Wachstum und die Entwicklung von Galaxien bestimmen.
Wie zu erwarten war, verhalten sich drei supermassereiche Schwarze Löcher, die zusammenfließen, anders als nur ein Paar:
Wenn drei solcher Schwarzen Löcher interagieren, sollte ein Paar viel schneller zu einem größeren Schwarzen Loch verschmelzen, als wenn die beiden alleine wären. Dies könnte eine Lösung für ein theoretisches Rätsel sein, das als "letztes Parsec-Problem" bezeichnet wird, bei dem sich zwei supermassereiche Schwarze Löcher innerhalb weniger Lichtjahre voneinander nähern können, aber aufgrund der überschüssigen Energie einen zusätzlichen Zug nach innen benötigen würden, um sich zu vereinigen sie tragen in ihren Bahnen. Der Einfluss eines dritten Schwarzen Lochs wie in SDSS J0849 + 1114 könnte sie endlich zusammenbringen.
Computersimulationen haben gezeigt, dass 16% der Paare von supermassiven Schwarzen Löchern in kollidierenden Galaxien mit einem dritten supermassiven Schwarzen Loch in Wechselwirkung getreten sind, bevor sie verschmelzen. Solche Fusionen erzeugen Wellen durch die Raumzeit, die Gravitationswellen genannt werden. Diese Wellen werden niedrigere Frequenzen haben, als das Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) der National Science Foundation für Laserinterferometer und der Gravitationswellendetektor der Europäischen Jungfrau erkennen können. Sie können jedoch mit Funkbeobachtungen von Pulsaren sowie zukünftigen Weltraumobservatorien wie der Laserinterferometer-Weltraumantenne (LISA) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), mit der Schwarze Löcher mit bis zu einer Million Sonnenmassen erfasst werden, nachweisbar sein.
Fazit: Astronomen haben ein System von 3 Galaxien entdeckt - genannt SDSS J0849 + 1114 - die sich alle eine Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt umkreisen. Jede Galaxie enthält ein supermassives Schwarzes Loch, das sich gegenseitig umkreist und dabei ist, zusammenzustoßen.