Astronomen meten massa van het zwaarste paar zwarte gaten ooit gevonden

Astronomen hebben aan de hand van archiefdata van de Gemini North-telescoop de massa bepaald van een binair zwart gat dat zich in het elliptische sterrenstelsel B2 0402+379 bevindt.

Het paar compacte objecten in het centrum van B2 0402+379 is het enige binaire supermassieve zwarte gat dat ooit in voldoende detail is opgelost om beide componenten te scheiden.

Het heeft het record voor de kleinste afstand die ooit rechtstreeks is gemeten: slechts 24 lichtjaar.

Hoewel deze nauwe scheiding een krachtige fusie voorspelt onthulde verder onderzoek dat het paar al meer dan 3 miljard jaar op deze afstand vastzit. Dit roept de vraag op waarom er vertraging is.

Om de dynamiek van het systeem en de stopgezette fusie beter te begrijpen hebben professor Roger Romani van de Stanford University en zijn collega’s gekeken naar archiefdata van de Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS) van de Gemini North-telescoop, waarmee ze de snelheid van de sterren in de nabije omgeving van de zwarte gaten konden bepalen.

Dankzij de uitstekende gevoeligheid van GMOS konden de onderzoekers de toenemende snelheden van de sterren in kaart brengen naarmate die zich dichter bij het centrum van het sterrenstelsel bevinden. Daarmee konden ze de totale massa van de zwarte gaten die zich daar bevinden, afleiden.

De auteurs schatten dat de massa van de binaire zwarte gaten op 28 miljard zonsmassa, waarmee het paar wordt gekwalificeerd als het zwaarste binaire zwarte gat dat ooit is gevonden.

Deze meting geeft niet alleen waardevolle context aan het ontstaan van het binaire systeem en de geschiedenis van zijn gaststelsel, maar ondersteunt ook de al lang bestaande theorie dat de massa van een superzwaar binair zwart gat een sleutelrol speelt bij het vertragen van een mogelijke fusie.

Het data-archief dat het International Gemini Observatory bedient, bevat een goudmijn van onaangeboorde wetenschappelijke ontdekkingen. Massa-metingen voor dit extreem superzware binaire zwarte gat zijn een ontzagwekkend voorbeeld van de potentiële kracht van nieuw onderzoek dat van dit archief gebruik maakt, aldus de onderzoekers.

Als we begrijpen hoe dit binaire systeem is ontstaan kan dit helpen voorspellen of en wanneer ze zullen fuseren – en een handvol aanwijzingen wijzen erop dat dit paar zich heeft gevormd via fusies van meerdere sterrenstelsels.

De eerste is dat B2 0402+379 een fossiel sterrenstelsel is. Dit betekent dat dit het resultaat is van het samensmelten van de hoeveelheid sterren en gas van een hele cluster van sterrenstelsels tot één massief sterrenstelsel.

Bovendien suggereert de aanwezigheid van twee superzware zwarte gaten, in combinatie met hun grote gecombineerde massa, dat ze het resultaat zijn van de fusie van meerdere kleinere zwarte gaten uit meerdere sterrenstelsels.

Na een galactische fusie botsen superzware zwarte gaten niet frontaal. In plaats daarvan beginnen ze langs elkaar te slingeren terwijl ze zich in een geboden baan nestelen.

Met elke passage die ze maken wordt energie overgedragen van de zwarte gaten naar de omringende sterren.

Terwijl ze energie verliezen wordt het paar steeds dichterbij gesleept totdat ze slechts lichtjaren van elkaar verwijderd zijn. Daar neemt de zwaartekrachtstraling het over en fuseren ze.

Dit proces is rechtstreeks waargenomen in paren van stellaire zwarte gaten – het eerste ooit geregistreerde exemplaar vond plaats in 2015 via de detectie van zwaartekrachtsgolven – maar nooit in een binair systeem van de superzware variant.

Met de nieuwe kennis over de extreem grote massa van het systeem concludeerden de astronomen dat er een uitzonderlijk groot aantal sterren nodig zou zijn geweest om de baan van het binaire systeem voldoende te vertragen om ze zo dichterbij elkaar te brengen.

Daarbij lijken de zwarte gaten bijna alle materie in hun omgeving te hebben weggegooid waardoor de kern van het sterrenstelsel verhongerd is en geen sterren en gas meer bevat.

Omdat er geen materiaal meer beschikbaar is om de baan van het paar verder te vertragen is hun fusie inde laatste fase tot stilstand gekomen.

Normaal gesproken lijkt het erop dat sterrenstelsels met lichtere paren van zwarte gaten voldoende sterren en massa hebben om de twee snel samen te drijven maar omdat dit paar zo zwaar is had het veel sterren nodig om de klus te klaren. Het binaire zwarte gat heeft het centrale sterrenstelsel van dergelijke materie ontdaan waardoor het vastgelopen en toegankelijk is geworden voor het onderzoek van de astronomen.

Of het paar hun stagnatie kan overwinnen en uiteindelijk zal samensmelten op een tijdschaal van miljoenen jaren of voor altijd in een orbitale limbo zal blijven is nog onbekend.

Als ze samensmelten zouden de resulterende zwaartekrachtsgolven honderd miljoen keer krachtiger zijn dan die geproduceerd door de samensmelting van zwarte gaten met een stellaire massa.

Het is mogelijk dat het paar die laatste afstand zou kunnen overbruggen via een nieuwe fusie van sterrenstelsels, waardoor het systeem zou worden geïnjecteerd met extra materiaal, of mogelijk een derde zwarte gat, om de baan van het aar voldoende te vertragen om te kunnen samensmelten.

Gezien de status van B2 0402+379 als een fossiele cluster is een nieuwe galactische fusie echter onwaarschijnlijk.

De onderzoekers kijken uit naar vervolgonderzoek naar de kern van B2 0402+279 waarbij ze willen kijken hoeveel gas er aanwezig is. Dit zou meer inzicht moeten geven op de vraag of de superzware zwarte gaten uiteindelijk kunnen fuseren of dat ze als binair paar zullen blijven bestaan.

De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in de Astrophysical Journal.

Artikel: Tirth Surti et al. 2024. The Central Kinematics and Black Hole Mass of 4C+37.11. ApJ 960, 110; doi: 10.3847/1538-4357/ad14fa

Eerste publicatie: 3 maart 2024
Bron: sci-news