Kolme supermassiivista mustaa aukkoa samassa galaksissa – tutkijat hämmästyivät

Ensimmäistä kertaa tähtitieteilijät ovat löytäneet galaksin varhaisesta maailmankaikkeudesta, jossa ei ole yhtä tai kahta, vaan kolme aktiivisesti ainetta ahmivaa supermassiivista mustaa aukkoa. Löytö tehtiin James Webb -avaruusteleskoopilla (JWST), ja se vahvistaa, että useat massiiviset mustat aukot voivat elää ja kasvaa samanaikaisesti samassa galaksissa vain 1,2 miljardia vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Tuloksilla on suuri merkitys ymmärryksellemme siitä, miten mustat aukot kasvoivat niin nopeasti varhaisessa kosmoksessa, ja tuleville ponnisteluille havaita mustien aukkojen yhdistymisistä syntyviä gravitaatioaaltoja.

Miten JWST havaitsi kolmoismustiaukkojärjestelmän

Galaksi, jolle on annettu tunnus J0148-4214 ja joka nähdään punasiirtymällä z≈5, havaittiin JWST:n NIRSpec Integral Field Unit (IFU) -spektroskopialla . Tutkijat tunnistivat mustat aukot niiden tunnusomaisen spektrijäljen perusteella: leveät Hα-emissioviivat, joiden täysleveys puolimaksimissa vaihteli 430–2 920 km/s, ilman vastaavaa kiellettyä viivaa kirkkaassa [O III]-dupletissa . Tämä kuvio on selvä merkki ainetta keräävistä mustista aukoista – aine putoaa suurella nopeudella kohti tapahtumahorisonttia, mikä tuottaa leveän emission, kun taas kiellettyjen viivojen puuttuminen sulkee pois supernovat, iskuaallot, tähdet tai tähdistä tulevat tuulet lähteenä .

Ryhmä käyttivät epäsymmetrisen keskus-Hα-profiilin kanavakarttoja erottaakseen kaksi avaruudellisesti erillistä leveän viivan aluetta (BLR) galaksin keskustassa, jotka ovat 190 ± 40 parsekin (noin 620 valovuoden) päässä toisistaan. Kolmas BLR löytyi galaksin laitamilta 1,7 kiloparsekin (noin 5 500 valovuoden) päässä .

Kolme mustaa aukkoa: massat ja sijainnit

Käyttämällä yhden epochin viriaalisia suhteita tähtitieteilijät arvioivat kolmen mustan aukon massat:

• Ensisijainen keskimmäinen musta aukko: log(M☉) = 7,9 ± 0,4 eli noin 80 miljoonaa auringon massaa
• Toissijainen keskimmäinen musta aukko: log(M☉) = 5,8 ± 0,5 eli noin 600 000 auringon massaa
• Ulompi musta aukko: log(M☉) = 6,3 ± 0,4 eli noin 2 miljoonaa auringon massaa

Tutkimuksen tekijät korostavat, että nämä massa-arvot sisältävät merkittäviä epävarmuustekijöitä – keskeinen tulos on kolmen aktiivisen massiivisen mustan aukon löytäminen, ei tarkat massa-arvot .

Kaksi mustaa aukkoa sijaitsee lähellä toisiaan galaksin keskustassa, vain 620 valovuoden päässä toisistaan. Kolmas musta aukko sijaitsee galaksin ulkoreunalla, noin 5 500 valovuoden päässä keskustasta .

Varhaisen maailmankaikkeuden kasvu ja mustien aukkojen yhdistymispolku

J0148-4214 tarjoaa ainutlaatuisen ikkunan siihen, miten supermassiiviset mustat aukot kasvoivat niin nopeasti varhaisessa maailmankaikkeudessa. Järjestelmä viittaa siihen, että galaksien yhdistymiset ja vuorovaikutukset olivat tehokkaita tuomaan massiivisia mustia aukkoja yhteen, mikä tarjosi nopean reitin niiden nopealle kasvulle . Tämä on ensimmäinen todiste siitä, että kolmoismustiaukkojärjestelmiä oli olemassa ensimmäisen 1,2 miljardin vuoden aikana kosmisessa historiassa.

Kaksi keskimmäistä mustaa aukkoa, jotka ovat vain 620 valovuoden päässä toisistaan, odotetaan lopulta yhdistyvän. Tämä läheinen pari luo edellytykset massiivisten mustien aukkojen yhdistymisille, joita tulevat gravitaatioaaltotutkimukset – kuten Laser Interferometer Space Antenna (LISA) – on suunniteltu havaitsemaan. Löytö osoittaa, että tällaisia läheisiä pareja oli olemassa paljon aikaisemmin kuin aiemmin tiedettiin .

"Tämä on ensimmäinen todiste kolmesta aktiivisesta mustasta aukosta yhdessä galaksissa kaukaisessa maailmankaikkeudessa," sanoi Hannah Übler, tutkimusryhmän johtaja Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics -instituutissa ja tutkimuksen johtava kirjoittaja .

Mitä tämä tarkoittaa gravitaatioaaltotähtitieteelle

Kaksi keskimmäistä mustaa aukkoa J0148-4214:ssä ovat vain muutaman sadan parsekin päässä toisistaan, mikä tarkoittaa, että ne ovat gravitaation sitomia ja törmäyskurssilla. Kun ne lopulta yhdistyvät, ne tuottavat gravitaatioaaltoja, jotka voidaan havaita avaruuspohjaisilla observatorioilla, kuten LISA:lla, joka on suunniteltu havaitsemaan massiivisten mustien aukkojen yhdistymisiä. Löytö osoittaa, että tällaisia läheisiä pareja oli olemassa paljon aikaisemmin kosmisessa historiassa kuin aiemmin tiedettiin, mikä antaa gravitaatioaaltotähtitieteilijöille selkeän kohteen ja vahvistaa, että varhainen maailmankaikkeus oli vilkas ympäristö mustien aukkojen yhdistymisille .

Miksi tämä löytö on tärkeä

• Ensimmäinen laatuaan: Yhdessäkään galaksissa varhaisessa maailmankaikkeudessa ei ole aiemmin vahvistettu olevan kolmea aktiivisesti ainetta ahmivaa supermassiivista mustaa aukkoa.
• Nopea kasvu: Järjestelmä viittaa siihen, että galaksien yhdistymiset ja vuorovaikutukset olivat tehokkaita tuomaan mustia aukkoja yhteen, mikä selittää, miten ne pystyivät kasvamaan niin nopeasti alkuräjähdyksen jälkeen.
• Gravitaatioaallon edeltäjä: Läheinen keskimmäinen pari on todennäköinen tuleva mustien aukkojen yhdistyminen, mikä tarjoaa luonnollisen laboratorion tapahtumien tutkimiseen, joita LISA tulee havaitsemaan.
• JWST:n ainutlaatuinen kyky: Tämä havainto oli mahdollinen vain JWST:n avaruudellisesti erottavan spektroskopian ansiosta, joka pystyy erottamaan useita aktiivisia ytimiä kaukaisissa, himmeissä galakseissa .

Tulokset on julkaistu esipainoksena arXiv.orgissa tutkimuksen nimellä "BlackTHUNDER: evidence for three massive black holes in a z~5 galaxy" .

Mitä seuraavaksi

Tähtitieteilijät suunnittelevat jatkavansa JWST-havaintoja tutkiakseen järjestelmän dynamiikkaa tarkemmin ja etsiäkseen samanlaisia kolmoismustiaukkogalakseja muilta varhaisen maailmankaikkeuden alueilta. Löytö avaa uuden luvun ymmärryksellemme siitä, miten maailmankaikkeuden massiivisimmat kohteet syntyivät – ja miten ne edelleen muovaavat kosmosta yhdistymällä.