Zwei supermassereiche Schwarze Löcher, die in kollidierenden „fossilen Galaxien“ entdeckt wurden, sind so massiv, dass sie sich weigern, zusammenzustoßen und zu verschmelzen. Diese Entdeckung könnte erklären, warum Verschmelzungen supermassereicher Schwarzer Löcher zwar theoretisch vorhergesagt, aber nie im Gange beobachtet wurden.
Das supermassive Schwarze-Loch-System befindet sich in der elliptischen Galaxie B2 0402+379. Zusammen haben die beiden Schwarzen Löcher eine gemeinsame Masse von 28 Milliarde Es ist um ein Vielfaches größer als die Sonne und ist damit das massereichste binäre Schwarze Loch, das je gesehen wurde. Darüber hinaus sind die binären Komponenten dieses Systems einem Paar supermassereicher Schwarzer Löcher am nächsten, nur 24 Lichtjahre voneinander entfernt.
Es ist das einzige binäre supermassereiche Schwarze Loch, das jemals so detailliert aufgelöst wurde, dass die beiden Objekte getrennt betrachtet werden können. Obwohl die Nähe der beiden Körper nahelegt, dass sie kollidieren und verschmelzen sollten, scheint es interessant zu sein, dass sie seit über drei Milliarden Jahren in demselben Orbitaltanz umeinander gefangen waren.
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Das Team, das den Doppelstern in den vom Gemini North-Teleskop auf Hawaii gesammelten Daten gefunden hat, geht davon aus, dass supermassive Schwarze Löcher aufgrund ihrer enormen Masse nicht verschmelzen können.
„Normalerweise scheinen Galaxien mit leichteren Schwarzlochpaaren genug Sterne und Masse zu haben, um sie schnell zusammenzubringen“, sagte Teammitglied Roger Romani, Professor für Physik an der Stanford University, in einer Pressemitteilung. „Da dieses Paar so schwer ist, brauchte es eine Menge Sterne und Gas, um diese Aufgabe zu erfüllen. Aber der Doppelstern reiste durch die Zentralgalaxie dieser Materie und ließ sie stehen.
Ein Paar supermassereicher Schwarzer Löcher ist einfach nicht kompatibel … noch nicht
B2 0402+379 ist ein „Fossilhaufen“, der darstellt, was passiert, wenn ein ganzer Galaxienhaufen aus Sternen und Gas zu einer einzigen massereichen Galaxie verschmilzt. Die enorme Masse der beiden supermassereichen Schwarzen Löcher in ihrem Kern legt nahe, dass sie durch eine Kette von Verschmelzungen kleinerer Schwarzer Löcher entstanden sind, als mehrere Galaxien im Cluster aufeinandertrafen und verschmolzen.
Wissenschaftler glauben, dass sich im Herzen der meisten, wenn nicht aller Galaxien ein supermassereiches Schwarzes Loch mit einer Masse befindet, die Millionen oder Milliarden Sonnen entspricht. Kein Stern kann kollabieren und so massereiche Schwarze Löcher entstehen lassen, weshalb man annimmt, dass supermassereiche Schwarze Löcher durch Verschmelzungsketten zwischen immer größeren Schwarzen Löchern entstehen.
Wenn die Galaxien selbst kollidieren und verschmelzen, vermuten Wissenschaftler, dass sich die supermassereichen Schwarzen Löcher in ihrem Herzen zusammenbewegen und ein binäres Paar bilden. Wenn sie einander umkreisen, senden diese Schwarzen Löcher Wellen in der Raumzeit aus, sogenannte Gravitationswellen, die den Drehimpuls vom Binärsystem weg verschieben und dazu führen, dass die Schwarzen Löcher näher beieinander kreisen.
Wenn die Schwarzen Löcher schließlich nahe genug beieinander sind, sollte ihre Anziehungskraft die Oberhand gewinnen und die Schwarzen Löcher kollidieren und verschmelzen, genau wie die Schwarzen Löcher, die kollidierten, um sie zu erschaffen. Die Frage ist: Könnten einige supermassereiche Schwarze Löcher so massiv sein, dass eine solche Kollision verhindert würde?
Um dieses Schwergewichtssystem des Schwarzen Lochs besser zu verstehen, griff das Team auf Archivdaten zurück, die vom Gemini North Multi-Object Spectrograph (GSO) von Gemini North gesammelt wurden. Dadurch können sie die Geschwindigkeit von Sternen in der Nähe der beiden supermassiven Schwarzen Löcher und damit die Gesamtmasse dieser Schwarzen Löcher bestimmen.
„Dank der hervorragenden Empfindlichkeit von GMOS konnten wir die zunehmenden Geschwindigkeiten von Sternen kartieren, je näher wir dem Zentrum der Galaxie kommen“, fügte Romani hinzu. „Dank dessen konnten wir auf die Gesamtmasse der dort befindlichen Schwarzen Löcher schließen“.
Eine ins Stocken geratene Fusion
Die Masse der beiden Schwarzen Löcher des Systems ist so groß, dass das Team davon ausgeht, dass eine außergewöhnlich große Population von Sternen um sie herum erforderlich wäre, um die supermassereichen Schwarzen Löcher zusammenzubringen. Dabei schleuderte die von den Doppelsternen freigesetzte Energie jedoch Materie aus ihrer Umgebung weg.
Dadurch blieb das Zentrum von B2 0402+379 frei von Sternen und Gas, nahe genug am Doppelstern, um Energie zu extrahieren. Infolgedessen wurde die Annäherung dieser beiden supermassereichen Schwarzen Löcher gestoppt, da sie sich dem Endstadium vor einer Verschmelzung nähern.
Die Ergebnisse des Teams liefern wichtige Zusammenhänge zur Bildung binärer supermassereicher Schwarzer Löcher nach galaktischen Verschmelzungen, stützen aber auch die Idee, dass die Masse dieser Doppelsterne der Schlüssel dazu ist, zu verhindern, dass Schwarze Löcher diesem Beispiel folgen.
Das Team weiß derzeit nicht, ob diese beiden supermassiven Schwarzen Löcher in diesem schwersten jemals entdeckten Doppelstern diese Pause überwinden und schließlich verschmelzen werden, oder ob sie dauerhaft in der Schwebe der Verschmelzung bleiben werden.
„Wir freuen uns darauf, die Untersuchungen zum Kern von B2 0402+379 fortzusetzen, wo wir untersuchen werden, wie viel Gas vorhanden ist“, sagte Tirth Surti, Hauptautor der Forschung und Student an der Stanford. „Dies sollte uns ein besseres Verständnis darüber geben, ob supermassive Schwarze Löcher irgendwann verschmelzen können oder ob sie in binärer Form stecken bleiben.“
Eine Möglichkeit, diese supermassereiche Sackgasse zu beenden, wäre die Verschmelzung einer weiteren Galaxie mit B2 0402+379, wodurch viel mehr Sterne, Gas und ein weiteres supermassereiches Schwarzes Loch in die Mischung geraten und dieses empfindliche Gleichgewicht gestört würde. Die Tatsache, dass B2 0402+379 eine seit Milliarden Jahren intakte fossile Galaxie ist, macht dieses Szenario jedoch wahrscheinlich.
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Eine Sache, die diese Forschung sicherstellt, ist die Nützlichkeit von Archivdaten von Teleskopen wie Gemini North, das mit dem Gemini South-Teleskop auf einem Berg in den chilenischen Anden zusammenarbeitet, um das Gemini International Observatory zu bilden, für Astronomen.
„Das Datenarchiv des International Gemini Observatory enthält eine Goldmine unerschlossener wissenschaftlicher Entdeckungen“, sagte Martin Still, Programmdirektor der Nation Science Foundation für das International Gemini Observatory. „Die Massenmessungen dieses extrem supermassiven binären Schwarzen Lochs sind ein beeindruckendes Beispiel für die möglichen Auswirkungen neuer Forschungen zur Erforschung dieses reichhaltigen Archivs.“
Die Forschungsergebnisse des Teams werden im Astrophysical Journal veröffentlicht.