תגלית היסטורית: שלושה חורים שחורים-על פעילים בגלקסיה אחת, רק 1.2 מיליארד שנה אחרי המפץ הגדול

בפעם הראשונה, אסטרונומים גילו גלקסיה ביקום המוקדם שמארחת לא אחד, לא שניים, אלא שלושה חורים שחורים-על פעילים הניזונים מחומר. התגלית, שהתאפשרה הודות לטלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST), מאשרת שחורים שחורים מרובים יכולים להתקיים ולצמוח בו-זמנית באותה גלקסיה, רק 1.2 מיליארד שנה אחרי המפץ הגדול. לממצאים השלכות מרחיקות לכת על ההבנה כיצד חורים שחורים גדלו כל כך מהר ביקום הקדום, ועל המאמצים העתידיים לזהות גלי כבידה ממיזוגי חורים שחורים .

כיצד זיהה JWST את מערכת שלושת החורים השחורים

הגלקסיה, המכונה J0148-4214 ונצפית בהסחה לאדום (redshift) של כ-5 (כלומר, האור שלה נפלט לפני כ-12.5 מיליארד שנה), נצפתה באמצעות ספקטרוסקופיית ה-IFU (Integral Field Unit) של מכשיר NIRSpec ב-JWST . החוקרים זיהו את החורים השחורים באמצעות חתימה ספקטרלית ייחודית: קווי פליטה רחבים של Hα עם רוחב מלא בחצי המקסימום (FWHM) שנע בין 430 ל-2,920 ק"מ לשנייה, ללא מקבילה של קו אסור (forbidden line) בדו-קו הבהיר [O III] . תבנית זו היא סימן מובהק לחורים שחורים הניזונים מחומר – חומר שנופל במהירויות גבוהות קרוב לאופק האירועים מייצר את הפליטה הרחבה, בעוד היעדר הקווים האסורים שולל אפשרויות אחרות כמו סופרנובות, הלם, רוחות כוכביות או כוכבים מסיביים כמקור .

הצוות השתמש במפות ערוצים (channel maps) של פרופיל Hα המרכזי הא-סימטרי כדי לבודד שני אזורי קו רחב (BLRs) נפרדים במרכז הגלקסיה, המופרדים ב-190±40 פרסק (כ-620 שנות אור). BLR שלישי נמצא בשוליים החיצוניים של הגלקסיה, בהפרדה המוקרנת של 1.7 קילו-פרסק (כ-5,500 שנות אור) .

שלושת החורים השחורים: מסות ומיקומים

באמצעות יחסים ויריאליים (virial relations) לאפוקהה בודדת, האסטרונומים העריכו את מסות שלושת החורים השחורים:

• החור השחור המרכזי הראשי: log(M☉) = 7.9 ± 0.4, בערך 80 מיליון מסות שמש
• החור השחור המרכזי המשני: log(M☉) = 5.8 ± 0.5, בערך 600,000 מסות שמש
• החור השחור החיצוני: log(M☉) = 6.3 ± 0.4, בערך 2 מיליון מסות שמש

מחברי המחקר מדגישים כי הערכות מסה אלו נושאות אי-ודאויות ניכרות – התוצאה העיקרית היא גילוי שלושה חורים שחורים מסיביים פעילים, לא ערכי המסה המדויקים .

שניים מהחורים השחורים שוכנים קרוב זה לזה במרכז הגלקסיה, מופרדים ב-620 שנות אור בלבד (בהיטל). החור השחור השלישי ממוקם באזור החיצוני של הגלקסיה, במרחק של כ-5,500 שנות אור מהמרכז .

צמיחה ביקום המוקדם ודרך המיזוג

J0148-4214 מציעה צוהר ייחודי להבנה כיצד חורים שחורים-על גדלו כל כך מהר ביקום המוקדם. המערכת מעידה כי מיזוגים ואינטראקציות היו יעילים בהבאת חורים שחורים מסיביים זה לקראת זה, וסיפקו דרך מהירה לצמיחתם המהירה . זוהי העדות הראשונה לכך שמערכות משולשות של חורים שחורים התקיימו ב-1.2 מיליארד השנים הראשונות של ההיסטוריה הקוסמית.

שני החורים השחורים המרכזיים, המופרדים ב-620 שנות אור בלבד, צפויים להתמזג בסופו של דבר. צמד קרוב זה מכין את הקרקע למיזוגי חורים שחורים מסיביים שמצפי גלי כבידה עתידיים – כמו LISA (Laser Interferometer Space Antenna) – נועדו לזהות. התגלית מוכיחה שצמדים קרובים כאלה התקיימו מוקדם הרבה יותר ממה שהיה ידוע עד כה .

"זו העדות הראשונה לשלושה חורים שחורים פעילים בגלקסיה אחת ביקום הרחוק," אמרה חנה אובלר (Hannah Übler), ראש קבוצת מחקר במכון מקס פלאנק לפיזיקה חוץ-כדורית (MPE) והמחברת הראשית של המחקר .

המשמעות לאסטרונומיה של גלי כבידה

שני החורים השחורים המרכזיים ב-J0148-4214 מופרדים במרחק של כמה מאות פרסקים בודדים, כלומר הם קשורים כבידתית ונמצאים במסלול התנגשות. כאשר יתמזגו בסופו של דבר, הם יפיקו גלי כבידה הניתנים לזיהוי על ידי מצפים מבוססי חלל כמו LISA, שנועד לצפות במיזוגים של חורים שחורים מסיביים. התגלית מראה שצמדים קרובים כאלה התקיימו מוקדם הרבה יותר בהיסטוריה הקוסמית ממה שהיה ידוע, ונותנת לאסטרונומים של גלי כבידה יעד ברור .

מדוע התגלית הזו חשובה

• ראשונה מסוגה: אף גלקסיה ביקום המוקדם לא אושרה מעולם כמארחת שלושה חורים שחורים-על הניזונים מחומר באופן פעיל.
• צמיחה מהירה: המערכת מעידה כי מיזוגי גלקסיות ואינטראקציות היו יעילים בהבאת חורים שחורים זה לקראת זה, ומסבירה כיצד יכלו לגדול כל כך מהר אחרי המפץ הגדול.
• מבשר גלי כבידה: הצמד המרכזי הקרוב הוא מיזוג חורים שחורים עתידי סביר, ומספק מעבדה טבעית לחקר האירועים ש-LISA תזהה.
• יכולתו הייחודית של JWST: זיהוי זה התאפשר רק בזכות היכולת הספקטרוסקופית המרחבית של JWST, שיכולה להבחין בין גרעינים פעילים מרובים בגלקסיות רחוקות וחשוכות .

הממצאים פורסמו כהדפסה מוקדמת (preprint) ב-arXiv.org תחת שם המחקר "BlackTHUNDER: evidence for three massive black holes in a z~5 galaxy" .

מה הלאה?

אסטרונומים מתכננים לבצע תצפיות המשך נוספות עם JWST כדי לחקור את הדינמיקה של המערכת בפירוט רב יותר ולחפש גלקסיות משולשות דומות של חורים שחורים באזורים אחרים ביקום המוקדם. התגלית פותחת פרק חדש בהבנת האופן שבו העצמים המסיביים ביותר ביקום נוצרו – וכיצד הם ממשיכים לעצב את הקוסמוס באמצעות מיזוגים.