Γνωρίστε το "Spikey", ένα πιθανό ζευγάρι συγχωνεύσεων υπερμεγέθων μαύρων τρυπών
Ένα παράξενα φλεγόμενο αντικείμενο στο κέντρο ενός μακρινού γαλαξία μπορεί να είναι το κλειδί για το ξεκλείδωμα του μυστηρίου του τρόπου με τον οποίο συγχωνεύονται οι πιο τερατώδεις μαύρες τρύπες του σύμπαντος.
Με βάρος εκατομμύρια έως δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του ήλιου μας, οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες είναι τα υπέρτατα βαρέα βάρη—και παραμονεύουν στα κέντρα σχεδόν κάθε μεγάλου γαλαξία. Αν και δεν εκπέμπουν φως, αυτά τα αντικείμενα μπορούν ωστόσο να δημιουργήσουν θεαματικά ουράνια πυροτεχνήματα καθώς τρέφονται με αέριο και σκόνη, δημιουργώντας πίδακες σωματιδίων υψηλής ενέργειας και στροβιλιζόμενους δίσκους συντριμμιών που μπορούν να φανούν καθαρά σε όλο το σύμπαν ως ενεργοί γαλαξιακές πυρήνες (AGNs). Τώρα, οι επιστήμονες εντόπισαν μια έκρηξη στο μακρινό AGN που υποπτεύονται ότι δημιουργήθηκε από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα που ενισχύει τις εκπομπές μιας άλλης κοντά, υποδηλώνοντας ότι το ζευγάρι μπορεί να συγχωνευθεί στα επόμενα 100.000 χρόνια. Εάν τα δύο είναι, στην πραγματικότητα, προετοιμασμένα για συγχώνευση, θα προσφέρουν στους αστρονόμους μια άνευ προηγουμένου άποψη για τη διαδικασία που δεν έχει κατανοηθεί καλά για το πώς οι γιγάντιες μαύρες τρύπες καταφέρνουν να ενωθούν καθόλου.
Το 2017, οι αστροφυσικοί Daniel D'Orazio και Rosanne Di Stefano εξήγησαν πώς ένα ζεύγος υπερμεγέθων μαύρων τρυπών που πρόκειται να συγχωνευθούν σύντομα θα πρέπει να προσεγγίζουν βαρυτικά η μία την άλλη και πώς το προκύπτον σήμα θα μπορούσε να φανεί εάν το τροχιακό επίπεδο της επικείμενης συγχώνευσης ευθυγραμμιστεί με τη Γη. Το υλικό που περιβάλλει τις μαύρες τρύπες θα πρέπει να λάμπει στο μήκος κύματος των ακτίνων Χ καθώς επιταχύνεται προς οποιοδήποτε από τα μέλη του ζεύγους Εάν η μία μαύρη τρύπα περάσει μπροστά από την άλλη, θα δράσει το τεράστιο βαρυτικό πεδίο της «προσκηνίου» της μαύρης τρύπας. σαν φακός, που μεγεθύνει την πηγή φωτός του φόντου. «Είναι μια πολύ χαρακτηριστική υπογραφή», λέει ο Ντι Στέφανο, ερευνητής στο Κέντρο Αστροφυσικής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και στο Ινστιτούτο Smithsonian.
Τον Οκτώβριο, αυτή και ο D'Orazio, συνεργαζόμενοι με αρκετούς συνεργάτες, ανέφεραν την ανακάλυψη ενός αντικειμένου που εκπέμπει ένα σήμα που ταιριάζει με τη θεωρητική τους πρόβλεψη. Τα δεδομένα που συγκεντρώθηκαν το 2011 από το διαστημικό τηλεσκόπιο Kepler της NASA για κυνήγι πλανητών αποκάλυψαν ένα ασυνήθιστο AGN με μια παράξενη ακίδα. Εάν το αντικείμενο, με το παρατσούκλι Spikey, επαναλάβει τη λάμψη του και πάλι αυτή την άνοιξη, όπως είχε προβλέψει ο D'Orazio και οι συνεργάτες του, θα είναι αυτό που αποκαλεί το «όπλο καπνίσματος» που επιβεβαιώνει ότι ο Spikey είναι ένα ζευγάρι υπερμεγέθων μαύρων τρυπών στο κατώφλι της συγχώνευσης. Ο D'Orazio, αστρονόμος στο Χάρβαρντ, παρουσίασε τη νέα ανάλυση τον περασμένο μήνα σε μια συνάντηση της Αμερικανικής Αστρονομικής Εταιρείας στη Χονολουλού.
Το "Τελικό Πρόβλημα Parsec"
Όταν οι γαλαξίες συγκρούονται, οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στα κέντρα τους τελικά βρίσκουν τον δρόμο τους προς την καρδιά του νεοδημιουργημένου γαλαξία και τελικά ενώνονται. Οι παρατηρήσεις των πυρήνων των συγχωνευόμενων γαλαξιών έχουν αποκαλύψει είτε μια ενιαία υπερμεγέθη μαύρη τρύπα (πιθανώς όπου δύο ή περισσότερες έχουν ήδη συγχωνευθεί) είτε μαύρες τρύπες που βρίσκονται σε τροχιά σε απόσταση λίγων παρσέκ η μία από την άλλη (ένα παρσεκ είναι περίπου 3,26 έτη φωτός). /P>
«Είμαστε πολύ βέβαιοι ότι όταν δύο γαλαξίες συγχωνεύονται, οι μαύρες τρύπες που φιλοξενούν θα βρεθούν σε ένα παρσεκ η μία από την άλλη», λέει ο Scott Hughes, αστροφυσικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. P>
Το πρόβλημα εμφανίζεται στο τελικό παρσεκ, όπου η βαρύτητα δεν είναι αρκετά ισχυρή για να υπερνικήσει τη φυγόκεντρο δύναμη της τροχιάς κάθε μαύρης τρύπας για να τραβήξει το ζεύγος πιο κοντά. Χωρίς μια σταθερή εισροή υλικού για να ταρακουνήσει τα πράγματα, τα δύο μπορεί να σταματήσουν να συγχωνεύονται και να παραμείνουν σε ένα μοτίβο συγκράτησης κατά τη διάρκεια της ζωής του σύμπαντος. Αυτό το «τελικό πρόβλημα parsec» δεν επηρεάζει ζεύγη μαύρων τρυπών μικρότερης αστρικής μάζας, οι οποίες μπορούν πιο εύκολα να συγχωνευθούν με την αφαίμαξη της περίσσειας τροχιακής ενέργειας μέσω της άφθονης εκπομπής βαρυτικών κυμάτων τους. Αλλά οι μεγαλύτερες μαύρες τρύπες χρειάζονται κάτι για να τις ωθήσει πάνω από αυτό το τελευταίο εξόγκωμα προτού ξεκινήσει η δική τους εκπομπή βαρυτικών κυμάτων, οπότε μια ενδεχόμενη συγχώνευση γίνεται αναπόφευκτη.
«Δεν έχουμε καλή κατανόηση του τι συμβαίνει σε αυτό το τελικό parsec», λέει ο Matthew Graham, κοσμολόγος στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια, ο οποίος δεν συμμετείχε στη νέα μελέτη. «Έχουμε μια θεωρητική κατανόηση, αλλά δεν έχουμε καλά στοιχεία παρατήρησης που να ταιριάζουν με τη θεωρία». Τουλάχιστον, οι ερευνητές δεν έχουν τέτοια στοιχεία αρκετά ακόμα.
Εκτός από την αποκάλυψη χιλιάδων εξωπλανητών, ο Κέπλερ ανακάλυψε επίσης μερικές δεκάδες AGN. Μια μελέτη του 2018 αυτών των αντικειμένων αποκάλυψε ασυνήθιστη δραστηριότητα έκλαμψης σε ένα που ονομάζεται KIC 11606854. Μια πιο προσεκτική ματιά αποκάλυψε ότι η αποτρίχωση και η μείωση του φωτός της έκλαμψης αντικατόπτριζαν προβλέψεις για το πώς ένα ζεύγος συγχωνευόμενων μαύρων οπών θα μπορούσε να σχηματίσει βαρυτικά φακούς μεταξύ τους. Γεια σου, Spikey.
«Κατέληξε να είναι πολύ τυχαίο», λέει η Betty Hu, μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και πρώτη συγγραφέας του προεκτυπωμένου χαρτιού που αναφέρει την ανακάλυψη του Spikey. Οι ερευνητές που μελετούσαν τα Kepler AGN μετέφεραν τις πληροφορίες στον D'Orazio και τους συναδέλφους του, οι οποίοι βρήκαν ότι το σήμα ταιριάζει «πολύ καλά» με το μοντέλο φακού, λέει ο Di Stefano.
Σύμφωνα με τον Ντι Στέφανο, οι μαύρες τρύπες που συγχωνεύονται μπορεί να περικλείονται από έναν «μίνι δίσκο» ενσωματωμένο σε έναν μεγαλύτερο κοινόχρηστο δίσκο που περιστρέφεται γύρω από τα δύο αντικείμενα. Οι μίνι δίσκοι θα μπορούσαν να διαλυθούν καθώς οι μαύρες τρύπες τους καταβροχθίζουν, μόνο για να αναπληρώνεται περιστασιακά με υλικό από τον μεγαλύτερο απομακρυσμένο δίσκο. Κάθε μαύρη τρύπα που τρυπιέται σε έναν μίνι δίσκο έχει μια ευεργετική παρενέργεια, απορρίπτοντας πρόσθετη τροχιακή ενέργεια και επιτρέποντας στις δύο να πλησιάσουν πιο κοντά, δυνητικά ξεπερνώντας το τελικό πρόβλημα parsec. Σύμφωνα με τα μοντέλα των ερευνητών, το Spikey θα πρέπει να συγχωνευθεί τα επόμενα 100.000 περίπου χρόνια - μια βλεφαρίδα στα αστρονομικά χρονοδιαγράμματα.
Μέχρι την επόμενη φορά
Ωστόσο, μια μόνο έκλαμψη δεν είναι αρκετή για να επιβεβαιώσει ότι το Spikey είναι ένα ζευγάρι μαύρων τρυπών που συγχωνεύονται. Ο D'Orazio και οι συνάδελφοί του σχεδιάζουν ήδη να μελετήσουν το Spikey αυτή την άνοιξη σε αναζήτηση περισσότερων αποδεικτικών στοιχείων. Με βάση τις καλύτερες εκτιμήσεις τους για τις τροχιές του ζεύγους, εντόπισαν δοκιμαστικά το επόμενο συμβάν βαρυτικού φακού ως πιο πιθανό να συμβεί τον Απρίλιο του 2020. Όμως, λέει ο Hu, οι παρατεταμένες αβεβαιότητες σημαίνουν ότι η έκρηξη θα μπορούσε να λάβει χώρα οπουδήποτε μεταξύ Φεβρουαρίου και Ιουλίου.
Η ομάδα έχει ήδη εξασφαλίσει χρόνο στο Παρατηρητήριο ακτίνων Χ Chandra της NASA για να παρακολουθήσει την προβλεπόμενη έκλαμψη του Απριλίου, η οποία θα διαρκέσει περίπου 10 ημέρες. Στο μεταξύ, οι ερευνητές συνεχίζουν να παρακολουθούν το σύστημα χρησιμοποιώντας επίγεια όργανα. Εάν ο Spikey αρχίσει να ενεργεί πριν από τον Απρίλιο, ελπίζουν να ρίξουν μια ματιά για να αλλάξουν τις παρατηρήσεις τους με τον Chandra και άλλες εγκαταστάσεις για να αντισταθμίσουν. «Πιστεύω ότι ο [D'Orazio] έχει κάνει φανταστική δουλειά προσπαθώντας να βρει όλους τους δυνατούς τρόπους παρακολούθησης αυτού του συστήματος επειδή είναι ο καλύτερος υποψήφιος [για τη συγχώνευση μαύρων τρυπών]», λέει ο Di Stefano.
Αν ο Spikey δείξει την προβλεπόμενη έκρηξη αυτή την άνοιξη, θα ήταν μεγάλη υπόθεση. «Εάν αντέχει και είναι, στην πραγματικότητα, δυαδικό, νομίζω ότι θα μας δώσει μια περίπτωση για το τι πρέπει να αναζητήσουμε εάν προσπαθούμε να βρούμε περιπτώσεις κοντινών δυαδικών που δεν έχουν ακόμη συγχωνευθεί», λέει ο Hughes. Ένα τέτοιο παράδειγμα θα διευκολύνει το κυνήγι της συγχώνευσης υπερμεγέθων μαύρων τρυπών στο μέλλον.
Και αυτό το αποτέλεσμα θα ήταν καλά νέα για την αποστολή Laser Interferometer Space Antenna (LISA) της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας, η οποία θα εκτοξευθεί κάποια στιγμή στη δεκαετία του 2030 για να κυνηγήσει βαρυτικά κύματα που εκπέμπονται από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες. Αν και το Spikey πιθανότατα δεν θα συγχωνευθεί στο ρολόι της LISA, μπορεί να δώσει στους σχεδιαστές αποστολών μια καλύτερη ιδέα για το πόσοι γίγαντες που συγχωνεύονται υπάρχουν εκεί έξω για να δουν το διαστημόπλοιο.
Ένα θαύμα χωρίς λάμψη
Και πάλι, το Spikey θα μπορούσε να αποτύχει να φουντώσει ξανά. ίσως δεν είναι καθόλου ένα ζευγάρι υπερμεγέθων μαύρων τρυπών. Σύμφωνα με τον Graham, τα τελευταία χρόνια παρατηρείται αυξανόμενος αριθμός ισχυρισμών για πιθανή συγχώνευση υπερμεγέθων μαύρων τρυπών που καταλήγουν να είναι κάτι άλλο.
Εάν ο Ιούλιος περάσει χωρίς κανένα σημάδι της μοναδικής υπογραφής, τότε θα μπορούσε να είναι ότι το αρχικό συμβάν ήταν απλώς ένας τύπος έκλαμψης που δεν είχε ξαναδεί από ένα σχετικά κανονικό AGN. Παρόλο που υπάρχουν ακόμη πολλοί άλλοι υποψήφιοι για σχεδόν συγχωνευμένες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που περιμένουν να επιβεβαιωθούν, μια μη ανίχνευση θα έφερνε τους κυνηγούς μαύρης τρύπας που συγχωνεύονται σχεδόν στο πρώτο στάδιο.
Αλλά μια μη ανίχνευση δεν θα σήμαινε απαραίτητα ότι το μοντέλο του Di Stefano και του D'Orazio είναι λάθος. «Αυτή είναι μια διαδικασία που έχει να συμβεί» κάπου στο σύμπαν, λέει ο Ντι Στέφανο. Όσο δύο μαύρες τρύπες περιστρέφονται η μία γύρω από την άλλη, θα πρέπει να υπάρχει βαρυτικός φακός. Είναι απλώς θέμα το ζεύγος να βρίσκεται σε κατάλληλο προσανατολισμό για να φαίνεται το αποτέλεσμα από τη Γη. Στην αρχική τους εργασία, αυτή και ο D'Orazio προέβλεψαν ότι περίπου το 10 τοις εκατό των δυαδικών αρχείων θα είχαν σωστή γωνία για να δώσουν στους αστρονόμους μια γεύση από τις εκλάμψεις του βαρυτικού φακού τους.
«Εάν ο Spikey δεν τα καταφέρει, ξέρουμε ότι αυτή η διαδικασία συμβαίνει», λέει ο Di Stefano. «Τελικά, θα πρέπει να είμαστε σε θέση να το ανιχνεύσουμε, αλλά ίσως χρειαστεί να κοιτάξουμε άλλα συστήματα για να το δούμε». Ο Γκράχαμ συμφωνεί. «Είναι μια εννοιολογικά προσεγμένη ιδέα», λέει. «Αυτά τα πράγματα πρέπει be lensing."
