Tři supermasivní černé díry v jedné galaxii: Průlomové pozorování JWST

Tým pomocí kanálových map asymetrického centrálního profilu Hα oddělil dvě prostorově odlišné oblasti širokých čar (BLR) v galaktickém centru, vzdálené od sebe 190±40 parseků (asi 620 světelných let). Třetí BLR byla nalezena na okraji galaxie v projektované vzdálenosti 1,7 kiloparseku (zhruba 5 500 světelných let) .

Tři černé díry: Hmotnosti a poloha

Pomocí jednorázových viriálních vztahů astronomové odhadli hmotnosti tří černých děr:

• Primární centrální černá díra: log(M☉) = 7,9 ± 0,4, tedy přibližně 80 milionů hmotností Slunce .
• Sekundární centrální černá díra: log(M☉) = 5,8 ± 0,5, tedy zhruba 600 000 hmotností Slunce .
• Vnější černá díra: log(M☉) = 6,3 ± 0,4, tedy asi 2 miliony hmotností Slunce .

Autoři studie zdůrazňují, že tyto odhady hmotností nesou značné nejistoty – hlavním výsledkem je samotný objev tří aktivních masivních černých děr, nikoli přesné hodnoty jejich hmotností .

Dvě z černých děr leží blízko sebe v galaktickém centru, oddělené pouze 620 světelnými roky v projekci. Třetí černá díra se nachází ve vnější oblasti galaxie, asi 5 500 světelných let od centra .

Růst v raném vesmíru a cesta ke sloučení

Galaxie J0148-4214 nabízí jedinečné okno do procesu, jak supermasivní černé díry v raném vesmíru dokázaly tak rychle narůst. Systém naznačuje, že slučování a interakce galaxií byly efektivní v přibližování masivních černých děr k sobě, což poskytlo rychlou cestu pro jejich překotný růst . Jedná se o první důkaz, že trojité systémy černých děr existovaly již v prvních 1,2 miliardách let kosmické historie.

Dvě centrální černé díry, vzdálené jen 620 světelných let, se pravděpodobně nakonec spojí. Toto těsné párování vytváří podmínky pro budoucí sloučení masivních černých děr, která jsou cílem připravovaných observatoří gravitačních vln, jako je Laserová interferometrická vesmírná anténa (LISA). Objev ukazuje, že takto těsné páry existovaly mnohem dříve, než se dosud vědělo .

„Toto je první důkaz tří aktivních černých děr v jedné galaxii ve vzdáleném vesmíru,“ uvedla Hannah Üblerová, vedoucí výzkumné skupiny na Max Planckově institutu pro mimozemskou fyziku a hlavní autorka studie .

Význam pro astronomii gravitačních vln

Obě centrální černé díry v galaxii J0148-4214 jsou od sebe vzdáleny jen několik set parseků, což znamená, že jsou gravitačně vázány a míří ke kolizi. Až se jednou spojí, vyprodukují gravitační vlny, které budou detekovatelné vesmírnými observatořemi, jako je právě LISA, navržená právě k pozorování slučování masivních černých děr. Objev dokazuje, že takové těsné páry existovaly v kosmické historii mnohem dříve, než se předpokládalo, a dává astronomům zabývajícím se gravitačními vlnami jasný cíl, zatímco potvrzuje, že raný vesmír byl rušným prostředím pro slučování černých děr .

Proč je tento objev důležitý

• Premiéra svého druhu: Žádná galaxie v raném vesmíru dosud nebyla potvrzena jako domov tří aktivně narůstajících supermasivních černých děr.
• Rychlý růst: Systém naznačuje, že slučování a interakce galaxií byly účinné při spojování černých děr, což vysvětluje, jak mohly tak rychle narůst po Velkém třesku.
• Předzvěst gravitačních vln: Těsné centrální párování je pravděpodobným kandidátem na budoucí sloučení černých děr a poskytuje přirozenou laboratoř pro studium jevů, které bude LISA detekovat.
• Unikátní schopnost JWST: Tento objev byl možný jen díky prostorově rozlišené spektroskopii JWST, která dokáže rozlišit několik aktivních jader ve vzdálených a slabých galaxiích .

Výsledky byly zveřejněny v předběžné verzi na arXiv.org pod názvem studie „BlackTHUNDER: evidence for three massive black holes in a z~5 galaxy“ .

Co bude dál

Astronomové plánují další pozorování JWST, aby podrobněji prostudovali dynamiku systému a pátrali po podobných galaxiích s trojicí černých děr v jiných oblastech raného vesmíru. Objev otevírá novou kapitolu v chápání toho, jak nejhmotnější objekty ve vesmíru vznikaly – a jak i nadále prostřednictvím slučování utvářejí vesmír.