Quasare, die hellsten Objekte im Kosmos, könnten als kosmische Wegweiser dienen und Astronomen den Weg zu schwer fassbaren Paaren supermassereicher Schwarzer Löcher weisen.
Obwohl Wissenschaftler wissen, dass supermassereiche Schwarze Löcher mit Millionen oder sogar Milliarden Sonnenmassen im Herzen der meisten, wenn nicht aller großen Galaxien lauern, sind Doppelsternpaare dieser kosmischen Titanen schwer zu entdecken. Das kann nicht sein, weil supermassive Doppelsterne von Schwarzen Löchern unglaublich selten sind. Schließlich entstehen diese Giganten durch Verschmelzungen, die mit der Kollision von Galaxien beginnen. Das bedeutet, dass es eine große Population supermassiver Doppelsterne von Schwarzen Löchern geben muss, die im Begriff sind, zusammenzustoßen und ein noch monströseres supermassereiches Tochter-Schwarzen Loch zu erzeugen. Aber wo sind sie?
Neue Forschungsergebnisse legen nahe, dass Quasare, die hellen Kerne aktiver Galaxien, die von supermassereichen Schwarzen Löchern angetrieben werden, eine Antwort auf diese Frage liefern könnten. Das Team, das hinter dieser Forschung steht, geht davon aus, dass Galaxien mit Quasaren mit siebenmal größerer Wahrscheinlichkeit supermassive Doppelsterne von Schwarzen Löchern beherbergen als andere Galaxien.
Diese Erkenntnisse könnten bei der Suche nach diesen monströsen Duos helfen, die Gravitationswellen nutzen, winzige Wellen in Raum und Zeit (vereint zu einer vierdimensionalen Einheit namens Raumzeit), die erstmals 1915 in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt wurden.
„Diese Ergebnisse sind nützlich für die gezielte Suche nach supermassereichen Doppelsternen von Schwarzen Löchern, bei der wir bestimmte Galaxien und Quasare nach kontinuierlichen Gravitationswellen von einzelnen Supermassiven Doppelsternen von Schwarzen Löchern durchsuchen“, sagte der Autor dem Forschungsleiter von Space.com, Andrew Casey-Clyde, Doktorand bei der University of Connecticut und Gastwissenschaftler an der Yale University.
„Unsere Ergebnisse bedeuten, dass diese gezielten Suchen mit bis zu siebenmal höherer Wahrscheinlichkeit Gravitationswellen finden, die von einem supermassereichen Schwarzen-Loch-Doppelstern in einem Quasar stammen, als von einer zufälligen massereichen Galaxie“, sagte Casey-Clyde.
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Ironischerweise begann die Entdeckung des Teams mit einer etwas enttäuschenden Beobachtung. Im Jahr 2015 deutete der Catalina Real-time Transient Survey (CRTS), der von drei Teleskopen durchgeführt wurde, die einen großen Bereich des Himmels abdeckten, darauf hin, dass 111 Quasare mit periodischen Lichtkurven binäre Kandidaten für supermassereiche Schwarze Löcher sein könnten.
Mithilfe des neu gemessenen Summens des Universums, das als „Gravitationswellenhintergrund“ bezeichnet wird, stellten Casey-Clyde und Kollegen jedoch fest, dass es sich bei den meisten dieser Kandidaten für binäre Quasare wahrscheinlich um falsche Entdeckungen handelte.
„Selbst nach Korrektur der großen Anzahl falsch positiver Ergebnisse in den CRTS-Kandidaten-Binärsystemen zeigt diese Arbeit, dass Quasare möglicherweise eher supermassereiche Doppelsternsysteme von Schwarzen Löchern beherbergen als zufällige Galaxien“, sagte Casey.
Hinter den hellsten Objekten im Universum liegen supermassereiche Schwarze Löcher
Einige supermassereiche Schwarze Löcher sind von einer großen Menge Materie in Form einer abgeflachten Gas- und Staubwolke, einer sogenannten Akkretionsscheibe, umgeben, die sie nach und nach mit Materie versorgt. Der immense Gravitationseinfluss dieser supermassereichen Schwarzen Löcher erzeugt starke Gezeitenkräfte in den Akkretionsscheiben, die Reibung verursachen, die diese Materie erhitzt und sie im gesamten elektromagnetischen Spektrum intensiv leuchten lässt.
Darüber hinaus wird Materie, die das Schwarze Loch nicht antreibt, zu seinen Polen gelenkt, wo sie als stark gebündelte, energiereiche Jets projiziert wird. Diese Jets senden auch elektromagnetische Strahlung aus. Aufgrund dieser Phänomene können diese zentralen Regionen der Galaxie, sogenannte „aktive galaktische Kerne“ (AGN), die als Quasare betrachtet werden, so hell sein, dass sie das kombinierte Licht aller Sterne in der sie umgebenden Galaxie in den Schatten stellen.
Oft ernährt sich das supermassereiche Schwarze Loch und kann so einen Quasar erzeugen, weil es sich in einer Galaxie befindet, die mit einer anderen Galaxie ähnlicher Größe verschmolzen ist. Diese Kollision wirkt wie ein kosmischer Grubhub und bringt neuen Gas- und Staubvorrat in das Schwarze Loch. Die galaktische Verschmelzung bringt auch zwei supermassereiche Schwarze Löcher zusammen.
Binäre Quasare sind binäre supermassive Schwarze Löchersysteme mit zugehöriger Quasaraktivität, die von einer Akkretionsscheibe ausgeht, die die beiden supermassereichen Schwarzen Löcher des Binärsystems umgibt.
„Wir wissen, dass Quasare durch große Galaxienverschmelzungen ausgelöst werden können, wo
zwei Galaxien ähnlicher Masse verschmelzen. Diese Fusionen führen auch dazu
„Die mögliche Bildung eines supermassereichen Doppelsternsystems aus Schwarzen Löchern“, sagte Casey-Clyde. „Da supermassive Doppelsterne von Schwarzen Löchern durch große Galaxienverschmelzungen entstehen und durch diese Verschmelzungen Quasare ausgelöst werden können, deutet dies darauf hin, dass einige Quasare mit Supermassiven Doppelsternen von Schwarzen Löchern in Zusammenhang stehen könnten.“
Supermassereiche Doppelsternsysteme aus Schwarzen Löchern mögen es nicht, wenn ihre Quasare zu hell sind
Für diese Forschung untersuchte das Team speziell Quasare, deren Lichtemissionen sich über einen definierten Zeitraum wiederholen, Emissionen, die als periodische Lichtkurven bekannt sind. Simulationen deuten darauf hin, dass die mit Quasaren verbundenen periodischen Lichtkurven die Signatur eines supermassiven Doppelsterns aus Schwarzen Löchern sein könnten. Das Herzstück ihrer Studie war eine Reihe hochpräziser rotierender Neutronensternpulsare, das sogenannte NANOGrav-Pulsar-Array. Pulsare, die sich hunderte Male pro Sekunde drehen, können bei Massenbetrachtung als sehr empfindliche kosmische Zeitgeber dienen.
Letztes Jahr entdeckte das NANOGrav-Pulsar-Array das schwache Signal von Hintergrundgravitationswellen verschmelzender entfernter Schwarzer Löcher, und das Team konnte diese Entdeckung nutzen, um die binäre Population supermassereicher Schwarzer Löcher einzuschränken. Die Pulsare von NANOGrav halfen dem Team dann dabei, die Quasarpopulation einzuschränken.
Da das Team eine Kombination aus elektromagnetischen Beobachtungen von Quasaren und Gravitationswellendetektionen vom NANOGrav-Pulsar-Array verwendete, ist die Forschung ein Beispiel für „Multi-Messenger-Astronomie“ – Untersuchungen des Universums, die mindestens zwei völlig unterschiedliche Signale gleichzeitig nutzen.
„Die Multi-Messenger-Astronomie war in dieser Arbeit von entscheidender Bedeutung, um die Population binärer Quasare einzugrenzen. „Da binäre Quasare eine Teilmenge der binären Populationen von Quasaren und supermassiven Schwarzen Löchern sind, sind die Einschränkungen für jedes dieser Systeme auch Einschränkungen für die binäre Quasarpopulation“, sagte Casey-Clyde. „Wir haben schon lange vermutet, dass Quasare aufgrund ihrer Verbindung zu großen Galaxienverschmelzungen ein Signal für supermassive Doppelsterne von Schwarzen Löchern sein könnten. Wir haben nun gezeigt, dass dieser Zusammenhang auch nach Berücksichtigung der Kontamination in der CRTS-Probe immer noch plausibel ist. »
Die Ergebnisse überraschten auch Casey-Clyde und sein Team, denn sie fanden heraus, dass hellere Quasare weniger wahrscheinlich einen supermassiven Schwarzen-Loch-Doppelstern beherbergen als dunklere Quasare.
„Die Tatsache, dass die hellsten binären Quasarkandidaten mit der geringsten Wahrscheinlichkeit echt sind, ist überraschend. „Es macht jedoch Sinn, wenn man die Seltenheit massereicher supermassiver Doppelsterne Schwarzer Löcher bedenkt“, sagte Casey-Clyde. „Das liegt daran, dass die hellsten binären Quasare mit den massereichsten supermassereichen Doppelsternen von Schwarzen Löchern in Verbindung gebracht werden müssen. Allerdings sind die massereichsten supermassiven Doppelsterne Schwarzer Löcher selten, da sie relativ schnell verschmelzen. »
Dies bedeutet, dass supermassive Doppelsterne von Schwarzen Löchern mit geringerer Masse mehr Zeit in der Reichweite dieser Objekte verbringen, als Pulsar-Timing-Arrays erkennen können, und daher viel wahrscheinlicher ist, dass sie entdeckt werden.
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Casey-Clyde fügte hinzu, dass die gezielte Suche nach Gravitationswellen einer der wichtigsten nächsten Schritte in dieser Forschung sei und fügte hinzu, dass das Team auch beabsichtige, nach Paaren weit voneinander entfernter Schwarzer Löcher zu suchen, die das Stadium vor der Bildung eines Binärsystems nahegelegener Supermassen darstellen Schwarze Löcher.
„Insbesondere der Nachweis von Gravitationswellen, die von einer Galaxie ausgehen, in der sich ein Quasar befindet, wird es uns ermöglichen zu testen, wie sich die Umlaufbewegung eines supermassereichen Doppelsterns aus Schwarzen Löchern auf einen prägt
„Die Suche nach doppelten AGNs wird wichtig sein, um Paare supermassereicher Schwarzer Löcher einzugrenzen, die weit voneinander entfernte Vorläufer supermassereicher Doppelsysteme Schwarzer Löcher sind, die aus jüngsten Galaxienverschmelzungen resultieren.“ »
Dies wird es dem Team ermöglichen, die Anzahl der supermassiven Doppelsterne Schwarzer Löcher, die sie im Kosmos erwarten, besser einzuschränken und so die Beziehung zwischen Quasaren und Galaxienverschmelzungen besser zu verstehen.
„Der demnächst vom Vera C. Rubin-Observatorium durchgeführte Legacy Survey of Space and Time (LSST) wird von entscheidender Bedeutung sein, um die Beschränkungen für die Population binärer Quasare zu verbessern“, schloss Casey-Clyde. „Wir müssen etwa ein Jahrzehnt warten.
„Das ist schwierig, weil man annimmt, dass die Lichtkurven binärer Quasare Perioden in der Größenordnung von mehreren Jahren haben.“
Die Forschung des Teams wird als vorab von Experten begutachteter Artikel auf der Repository-Site arXiv veröffentlicht.