Διπλός μπελάς! Κυνήγι για Συγχωνεύσεις Υπερμεγάλων Μαύρων Τρυπών

Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που βρίσκονται στο κέντρο ενεργών γαλαξιών θα μπορούσαν να έχουν παρέα. Δυαδικά ζεύγη αυτών των τιτανικών κοσμικών αντικειμένων θα μπορούσαν να συγχωνευθούν για να σχηματίσουν μια ακόμη πιο τερατώδη μαύρη τρύπα. Οι μέθοδοι παρατήρησης γίνονται τελικά αρκετά ευαίσθητες για να εντοπίσουν ένα τέτοιο γεγονός.

Η εικόνα μιας υπερμεγέθους μαύρης τρύπας καθόταν μονολιθική και μόνη στο κέντρο του γαλαξία της, καταπίνοντας ανελέητα οποιαδήποτε ύλη, δυστυχώς αρκετά ώστε να διασχίσει το δρόμο της, θα μπορούσε να αμφισβητηθεί σοβαρά τα επόμενα χρόνια. Οι θεωρίες για το πώς μεγαλώνουν και εξελίσσονται οι γαλαξίες και ο ρόλος που παίζουν οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες σε αυτές τις διαδικασίες έχουν υποδείξει εδώ και καιρό ότι αυτά τα αντικείμενα μπορεί να μην μένουν μόνα τους. Στην πραγματικότητα, όχι μόνο τέτοια χωροχρονικά γεγονότα μπορεί να ζουν σε ζεύγη, αλλά αφού συνενωθούν, μπορεί να συγχωνευθούν σε αυτό που θα μπορούσε να είναι το πιο ισχυρό μεμονωμένο γεγονός στο Σύμπαν, επηρεάζοντας βαθιά την εξέλιξή του.

Η κατανόηση της σχέσης μεταξύ των μαύρων οπών και των γαλαξιών που τις φιλοξενούν είναι το κλειδί για την κατασκευή ενός μοντέλου που περιγράφει ικανοποιητικά την εξέλιξη και των δύο. Όμως, μέχρι στιγμής τα στοιχεία αυτής της διαδικασίας είναι αραιά. Λοιπόν, γιατί είναι τόσο δύσκολο να εντοπιστούν οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες;

Κρυμμένο στο Plain Sight. Πώς οι Υπερμεγέθεις Μαύρες Τρύπες Δυαδικά και Συγχωνεύσεις αποφεύγουν την Παρατήρηση

Παρά τη δυνητική δύναμη ενός τέτοιου γεγονότος συγχώνευσης, δεν έχουμε καταφέρει ακόμη να διακρίνουμε μεμονωμένες δυαδικές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες ή πολλά στοιχεία ότι συμβαίνουν τέτοιες συγκρούσεις. Αυτό συμβαίνει επειδή αυτά τα ζεύγη και οι συγχωνεύσεις που μπορεί τελικά να προκύψουν από αυτά κρύβονται σε αυτό που είναι γνωστό ως Ενεργοί Γαλαξικοί Πυρήνες (AGN)   συμπαγείς περιοχές στο κέντρο των γαλαξιών όπου οι ηλεκτρομαγνητικές εκπομπές είναι νάνιες από αυτές ολόκληρου του γαλαξία που τον περιβάλλει. /P>

Επειδή αυτή η εκπομπή——η οποία εμφανίζεται από το ραδιοκύμα στις περιοχές ακτίνων γάμμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος——είναι τόσο ισχυρή, οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι δεν προκύπτει ως αποτέλεσμα της αστρικής δραστηριότητας. Αντίθετα, θεωρούν ότι η ισχυρή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπεται από το AGN είναι το αποτέλεσμα τουλάχιστον μιας υπερμεγέθους μαύρης τρύπας που συσσωρεύει ύλη — μια βίαιη διαδικασία κατά την οποία σκόνη, αέρια, ακόμη και αστέρια διασπώνται σε έναν βίαιο και εξαιρετικά καυτό δίσκο συσσώρευσης που περιβάλλει μια κεντρική υπερμεγέθη μαύρη τρύπα πριν πέσει σε αυτό που μπορεί χονδρικά να περιγραφεί ως «επιφάνειά» της.

Εδώ είναι το πρόβλημα. ότι η ηλεκτρομαγνητική εκπομπή είναι τόσο συντριπτικά ισχυρή και ο AGN είναι τόσο μικρός σε σύγκριση με τον γαλαξία-ξενιστή του που δεν υπάρχει περίπτωση η παραδοσιακή αστρονομία——η οποία βασίζεται σε ηλεκτρομαγνητικά σήματα—————να μπορεί να διακρίνει τις λεπτότερες λεπτομέρειες αυτής της περιοχής. Λεπτομερέστερη λεπτομέρεια που θα μπορούσε να αποκαλύψει την κατάληψη δύο, και όχι μόνο μιας, υπερμεγέθων μαύρων τρυπών.

Ευτυχώς, οι υπερμεγέθεις συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών, εάν συμβούν, δεν θα ήταν απλώς καταπληκτικοί παραγωγοί ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Θα πρέπει επίσης να παράγουν έντονα σήματα βαρυτικών κυμάτων.

Ο De Rosa είναι ο κύριος συγγραφέας μιας ανασκόπησης που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό New Astronomy Reviews που εξετάζει τόσο την ιστορία της αναζήτησής μας για υπερμεγέθεις δυαδικές μαύρες τρύπες όσο και προτείνει έναν οδικό χάρτη για μελλοντική ανακάλυψη τέτοιων γεγονότων. Ο ερευνητής υπογραμμίζει τη σημασία της «αστρονομίας πολλαπλών αποστολέων»———που συνδυάζει τις παραδοσιακές ηλεκτρομαγνητικές παρατηρήσεις με την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων, επιτρέποντας στους αστρονόμους να δουν το Σύμπαν με έναν εντελώς νέο τρόπο, κάνοντας έτσι γεγονότα και αντικείμενα να κρύβονται προηγουμένως σε αυτούς——συμβάντα όπως η μαύρη τρύπα συγχωνεύσεις — προσβάσιμες.

Ωστόσο, πριν εξετάσουμε τις συγχωνεύσεις, αξίζει να λάβουμε υπόψη τις πραγματικά επικές διεργασίες που ενώνουν εξαρχής τα υπερμεγέθη ζεύγη μαύρων τρυπών.

Cosmic Matchmaking:Bringing Together Supermassive Black Holes

Μπορεί να μην είναι πολύ περίεργο να βρίσκουμε υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες να κρέμονται μαζί σε ζευγάρια, καθώς οι μέχρι τώρα παρατηρήσεις μας στο Σύμπαν δείχνουν ότι τα αστρικά αντικείμενα φαίνεται να προτιμούν να κρέμονται σε ζευγάρια. Αυτά τα δυαδικά συστήματα είναι πολύ πιο κοινά από τα συστήματα ενός αστεριού, όπως το ηλιακό μας σύστημα, και τα συστήματα τριών αστέρων — τα τελευταία από τα οποία αποδεικνύονται υπερβολικά ασταθή.

Καθώς οι μαύρες τρύπες εξελίσσονται από τέτοια αστρικά αντικείμενα, και αυτά τα αντικείμενα απολαμβάνουν τη συντροφιά, φαίνεται διαισθητικό να πιστεύουμε ότι τα δυαδικά στοιχεία της μαύρης τρύπας θα πρέπει να είναι αρκετά κοινά. Ωστόσο, υπάρχει ένα πρόβλημα με αυτή τη σκέψη.

Μόνο τα αστέρια με τη μεγαλύτερη μάζα τελειώνουν τη ζωή τους ως μαύρες τρύπες και οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες είναι ακόμη πιο σπάνιες. Σε συνδυασμό με το γεγονός ότι τα περισσότερα δυαδικά συστήματα περιέχουν ένα τεράστιο αστέρι σε συνδυασμό με ένα πολύ μικρότερο αντίστοιχο. Έτσι, είναι πολύ απίθανο δύο αστέρια στο ίδιο δυαδικό σύστημα να καταλήξουν και τα δύο ως υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες. Στην πραγματικότητα, μετά τον μετασχηματισμό του πρώτου άστρου, είναι πιθανό ο σύντροφός του να απογυμνωθεί από υλικό και να μείνει ως αστέρι νετρονίων, ένας πολύ μικρότερος λευκός νάνος ή να καταστραφεί εντελώς – πιθανόν να καταναλωθεί από το αντίστοιχο.

Έτσι, εάν τα υπερμεγέθη δυαδικά δεν είναι πιθανό να αναπτυχθούν μαζί, αυτό σημαίνει ότι κάποιο γεγονός πρέπει να δημιουργήσει αυτήν την ένωση – η συγχώνευση δύο γαλαξιών.

Αυτό σημαίνει ότι ο εντοπισμός μιας τέτοιας υπερμεγέθους δυαδικής μαύρης τρύπας θα παρείχε καλές αποδείξεις ότι ο γαλαξίας που καταλαμβάνει είναι το αποτέλεσμα μιας συγχώνευσης ή ακόμα και ότι μια τέτοια συγχώνευση είναι ακόμη σε εξέλιξη. Θα μας έδινε επίσης μια υπόδειξη για το τι πρόκειται να έρθει για τον δικό μας γαλαξία. «Αυτό θα συμβεί μια μέρα στον Γαλαξία μας— όταν θα συγχωνευθεί με τον Γαλαξία της Ανδρομέδας σε περίπου 4 δισεκατομμύρια χρόνια», συνεχίζει ο Comerford. «Η υπερμεγέθη μαύρη τρύπα μας και η υπερμεγέθη μαύρη τρύπα της Ανδρομέδας θα σχηματίσουν ένα δυαδικό!»

Η μαθηματική μοντελοποίηση αυτών των συγχωνεύσεων γαλαξιών φαίνεται να δείχνει ότι η διαδικασία προκαλεί μεγάλη εισροή αερίου προς την κεντρική υπερμεγέθη μαύρη τρύπα—ή μαύρες τρύπες, ανάλογα με την περίπτωση——αυτό ενισχύει τη συσσώρευση και διάφορες πυρηνικές διεργασίες που ενεργοποιούν τον γαλαξιακό πυρήνα. Αυτή η εισροή αερίου, σκόνης και άλλου υλικού θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει στην ανάπτυξη της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας.

Έτσι, οι γαλαξιακές συγχωνεύσεις δεν ευθύνονται μόνο για τη συγκέντρωση των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών, αλλά θα μπορούσαν επίσης να ξεκινήσουν τη φρενίτιδα τροφοδοσίας που κάνει ένα AGN πηγή απίστευτα ισχυρής ακτινοβολίας.

Τι συμβαίνει όμως όταν σχηματίζονται αυτά τα δυαδικά ζεύγη υπερμεγέθων μαύρων οπών; Παραμένουν σε ένα δυαδικό ή συνδυάζονται για να σχηματίσουν μια ακόμη μεγαλύτερη υπερμεγέθη μαύρη τρύπα; Η συγχώνευση υπερμεγέθων μαύρων οπών για να σχηματιστούν μεγαλύτερα αντικείμενα θα εξηγούσε σίγουρα ένα επίμονο κοσμολογικό ερώτημα. πώς αυτά τα αντικείμενα αυξήθηκαν σε τόσο τεράστια μεγέθη σε τόσο σύντομο χρονικό διάστημα;

Παρά την ευκολία αυτού του φαινομένου να συνδέει μερικά χαλαρά κοσμικά άκρα, ακόμα δεν γνωρίζουμε πραγματικά αν συμβαίνει ή όχι.

Χρήση βαρυτικών κυμάτων για να ρίξει φως σε δυαδικά αρχεία μαύρης τρύπας

Αφού συνενωθούν από μια συγχώνευση γαλαξιών, όταν οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες είναι πολύ μικροί διαχωρισμοί, τα βαρυτικά κύματα που εκπέμπουν παρασύρουν ενέργεια και επιτρέπουν στις μαύρες τρύπες να συγχωνευθούν.

Έτσι, οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στο κέντρο κάθε γαλαξία σύρονται η μία κοντά στην άλλη και τελικά σχηματίζουν αυτό που είναι γνωστό ως διπλός ενεργός γαλαξιακός πυρήνας. Θεωρητικά, το τελικό στάδιο αυτής της συνένωσης — ιδιαίτερα εάν οι μαύρες τρύπες είναι βαρυτικά δεσμευμένες — θα είναι η συνένωση αυτών των τεράτων σε μια συγχώνευση που οδηγεί σε μια ακόμη μεγαλύτερη υπερμεγέθη μαύρη τρύπα. Αυτή η συγχώνευση θα συνοδευόταν από την εκπομπή ενός σήματος βαρυτικών κυμάτων. Σήματα που χάρη στο Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολομέτρου λέιζερ LIGO και της επερχόμενης διαστημικής αντίστοιχης Διαστημικής Κεραίας Συμβολόμετρου Λέιζερ (LISA), μπορούμε πλέον να ανιχνεύσουμε θεωρητικά.

«Πιστεύουμε ότι οι δυαδικές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες τελικά συγχωνεύονται μεταξύ τους και παράγουν πολύ ενεργητικά βαρυτικά κύματα. Στην πραγματικότητα, οι υπερμεγέθεις συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών είναι δεύτερες μόνο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη ως τα πιο ενεργητικά φαινόμενα στο Σύμπαν», εξηγεί ο Comerford. Το πρόβλημα είναι ότι ακόμη και το LIGO — υπεύθυνο για την πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων από συγκρουόμενες μαύρες τρύπες αστρικής μάζας —δεν είναι ακόμη ικανό να ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα από τη συγχώνευση υπερμεγέθων μαύρων τρυπών.

«Αυτά τα βαρυτικά κύματα είναι πολύ υψηλής συχνότητας για να ανιχνευθούν από το LIGO, επομένως δεν έχουν ακόμη εντοπιστεί», προσθέτει ο Comerford. "Αλλά, αναμένουμε ότι οι συστοιχίες χρονισμού πάλσαρ θα ανιχνεύσουν βαρυτικά κύματα από υπερμεγέθεις συγχωνεύσεις μαύρων τρυπών για πρώτη φορά σε λίγα μόλις χρόνια."

Ο De Rosa συμφωνεί με την πιθανή ανακάλυψη στην ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων από συγχωνεύσεις μαύρων οπών υπερμεγέθους, υπογραμμίζοντας όχι μόνο τη μελλοντική συμβολή των συστοιχιών χρονισμού πάλσαρ, αλλά και αυτή του LISA — ενός συμβολόμετρου λέιζερ με βάση το διάστημα που θα εκτοξευθεί το 2034. τις επόμενες δεκαετίες, τα διαστημικά παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων, όπως η επόμενη μεγάλη αποστολή του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος, LISA, και πειράματα όπως οι συστοιχίες χρονισμού Pulsar, θα παρέχουν τις πρώτες άμεσες ενδείξεις δυαδικών και συγχωνευόμενων SMBH στο Σύμπαν», εξηγεί. .

Για την Comerford, οι νέες καινοτόμες μέθοδοι ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων και η αστρονομία πολλαπλών αγγελιοφόρων είναι έτοιμες να απαντήσουν σε θεμελιώδη ερωτήματα που έχουν επηρεάσει ολόκληρη την καριέρα της. «Όταν ήμουν μεταπτυχιακός φοιτητής, η ομάδα μου βρήκε μερικά ενδιαφέροντα φάσματα γαλαξιών που πιστεύαμε ότι μπορεί να παράγονται από υπερμεγέθη ζεύγη μαύρων τρυπών. Αναρωτήθηκα αν αυτά τα ασυνήθιστα φάσματα θα μπορούσαν να είναι το κλειδί για την εύρεση υπερμεγέθων δυαδικών μαύρων τρυπών. Από τότε εργάζομαι σε νέους και καλύτερους τρόπους για να βρω ζεύγη υπερμεγέθων μαύρων τρυπών», καταλήγει ο ερευνητής.

«Νομίζω ότι το συγκλονιστικό είναι ότι στην πραγματικότητα δεν ξέρουμε αν συγχωνεύονται υπερμεγέθη δυαδικά αρχεία μαύρης τρύπας! Θα μπορούσε να είναι ότι απλώς κάνουν κύκλους ο ένας γύρω από τον άλλο και δεν μπορούν να πλησιάσουν αρκετά ο ένας στον άλλον, όπου τα βαρυτικά κύματα μπορούν να κυριαρχήσουν και να τα κάνουν να συγχωνευθούν.

"Όταν ανιχνεύσουμε βαρυτικά κύματα από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, θα είναι η πρώτη φορά που θα γνωρίζουμε πραγματικά ότι τα υπερμεγέθη δυαδικά στοιχεία της μαύρης τρύπας συγχωνεύονται."

Πηγές και περαιτέρω ανάγνωση

Ντε Ρόζα. Α, Βινάλη. Γ, Μπογκντάνοβιτς. T, et al, «The Quest for Dual and Binary Supermassive Black Holes:A Multi- Messenger View», New Astronomy Reviews, [2020].