Drie superzware zwarte gaten in één oud sterrenstelsel ontdekt

Voor het eerst hebben astronomen een sterrenstelsel in het vroege heelal gevonden dat niet één, niet twee, maar drie actief voedende superzware zwarte gaten herbergt. De ontdekking, gedaan met de James Webb Space Telescope (JWST), bevestigt dat meerdere massieve zwarte gaten tegelijkertijd konden bestaan en groeien in hetzelfde sterrenstelsel, slechts 1,2 miljard jaar na de oerknal. De bevindingen hebben grote implicaties voor hoe zwarte gaten zo snel konden groeien in het vroege heelal en voor toekomstige pogingen om zwaartekrachtgolven van samensmeltende zwarte gaten te detecteren.

Hoe JWST het driedubbele zwartegatsysteem detecteerde

Het sterrenstelsel, met de catalogusnaam J0148-4214 en waargenomen op een roodverschuiving van z≈5, werd bestudeerd met de NIRSpec Integral Field Unit (IFU) spectrograaf van JWST . De onderzoekers identificeerden de zwarte gaten aan de hand van een kenmerkende spectrale handtekening: brede Hα-emissielijnen met een volledige breedte op halve hoogte (FWHM) variërend van 430 tot 2.920 km/s, zonder een bijbehorende verboden-lijn tegenhanger in de heldere [O III]-doublet . Dit patroon is een duidelijke aanwijzing voor aangroeiende zwarte gaten – materie die met hoge snelheid nabij de waarnemingshorizon valt, produceert de brede emissie, terwijl de afwezigheid van verboden lijnen supernova's, schokken, winden of massieve sterren als bron uitsluit .

Het team gebruikte kanaalkaarten van het asymmetrische centrale Hα-profiel om twee ruimtelijk gescheiden breed-lijngebieden (BLRs) in het centrum van het sterrenstelsel te isoleren, met een onderlinge afstand van 190±40 parsec (ongeveer 620 lichtjaar). Een derde BLR werd gevonden in de buitengebieden van het sterrenstelsel, met een geprojecteerde afstand van 1,7 kiloparsec (ruwweg 5.500 lichtjaar) .

De drie zwarte gaten: massa's en locaties

Met behulp van enkele-epoch viriale relaties schatten de astronomen de massa's van de drie zwarte gaten:

• Primair centraal zwart gat: log(M☉) = 7,9 ± 0,4, oftewel ongeveer 80 miljoen zonsmassa's
• Secundair centraal zwart gat: log(M☉) = 5,8 ± 0,5, oftewel ruwweg 600.000 zonsmassa's
• Buitenste zwart gat: log(M☉) = 6,3 ± 0,4, oftewel ongeveer 2 miljoen zonsmassa's

De studie-auteurs benadrukken dat deze massaschattingen aanzienlijke onzekerheden met zich meebrengen – het kernresultaat is de ontdekking van drie actieve massieve zwarte gaten, niet de precieze massawaarden .

Twee van de zwarte gaten liggen dicht bij elkaar in het centrum van het sterrenstelsel, met een onderlinge geprojecteerde afstand van slechts 620 lichtjaar. Het derde zwarte gat bevindt zich in de buitenste regionen van het sterrenstelsel, op ongeveer 5.500 lichtjaar van het centrum .

Groei in het vroege heelal en de weg naar samensmelting

J0148-4214 biedt een uniek venster op hoe superzware zwarte gaten zo snel konden groeien in het vroege heelal. Het systeem suggereert dat samensmeltingen en interacties efficiënt waren in het bijeenbrengen van massieve zwarte gaten, wat een snelle route bood voor hun snelle groei . Dit is het eerste bewijs dat drievoudige zwartegatsystemen bestonden binnen de eerste 1,2 miljard jaar van de kosmische geschiedenis.

De twee centrale zwarte gaten, met een onderlinge afstand van slechts 620 lichtjaar, zullen naar verwachting uiteindelijk samensmelten. Dit nauwe paar vormt een opmaat naar de samensmeltingen van massieve zwarte gaten die toekomstige zwaartekrachtgolfobservatoria – zoals de Laser Interferometer Space Antenna (LISA) – zijn ontworpen om te detecteren. De ontdekking toont aan dat dergelijke nauwe paren veel eerder bestonden dan tot nu toe bekend was .

"Dit is het eerste bewijs van drie actieve zwarte gaten in één sterrenstelsel in het verre heelal," zegt Hannah Übler, onderzoeksgroepsleider aan het Max Planck Instituut voor Extraterrestrische Fysica en hoofdauteur van de studie .

Wat dit betekent voor de zwaartekrachtgolfastronomie

De twee centrale zwarte gaten in J0148-4214 staan slechts een paar honderd parsec uit elkaar, wat betekent dat ze gravitationeel gebonden zijn en op een ramkoers liggen. Wanneer ze uiteindelijk samensmelten, zullen ze zwaartekrachtgolven produceren die detecteerbaar zijn door ruimtegebaseerde observatoria zoals LISA, dat is ontworpen om samensmeltingen van massieve zwarte gaten waar te nemen. De ontdekking laat zien dat dergelijke nauwe paren veel eerder in de kosmische geschiedenis bestonden dan voorheen bekend, wat zwaartekrachtgolfastronomen een duidelijk doelwit geeft en bevestigt dat het vroege heelal een bruisende omgeving was voor zwartegatsamensmeltingen .

Waarom deze ontdekking belangrijk is

• Een unicum: Nog nooit eerder is een sterrenstelsel in het vroege heelal bevestigd met drie actief aangroeiende superzware zwarte gaten.
• Snelle groei: Het systeem suggereert dat samensmeltingen en interacties van sterrenstelsels efficiënt waren in het bijeenbrengen van zwarte gaten, wat verklaart hoe ze zo snel na de oerknal konden groeien.
• Voorloper van zwaartekrachtgolven: Het nauwe centrale paar is een waarschijnlijke toekomstige zwartegatsamensmelting en biedt een natuurlijk laboratorium voor het bestuderen van de gebeurtenissen die LISA zal detecteren.
• Het unieke vermogen van JWST: Deze detectie was alleen mogelijk dankzij de ruimtelijk opgeloste spectroscopie van JWST, waarmee meerdere actieve kernen in verre, zwakke sterrenstelsels kunnen worden onderscheiden .

De bevindingen zijn gepubliceerd in een preprint op arXiv.org onder de studienaam "BlackTHUNDER: evidence for three massive black holes in a z~5 galaxy" .

Wat komt hierna?

Astronomen zijn van plan om vervolgwaarnemingen met JWST te doen om de dynamica van het systeem in meer detail te bestuderen en naar vergelijkbare drievoudige zwartegatstelsels in andere vroege-heelalvelden te zoeken. De ontdekking opent een nieuw hoofdstuk in het begrijpen hoe de meest massieve objecten in het universum zijn ontstaan – en hoe ze het heelal blijven vormen door samensmeltingen.