Tre supermassiva svarta hål i en enda tidig galax

Teamet använde kanalkartor av den asymmetriska centrala Hα-profilen för att isolera två rumsligt åtskilda bredlinjeområden (BLR) i galaxens centrum, separerade med 190±40 parsek (cirka 620 ljusår). Ett tredje BLR hittades i galaxens utkanter med en projicerad separation på 1,7 kiloparsek (cirka 5 500 ljusår) .

De tre svarta hålen: massor och positioner

Med hjälp av virialrelationer vid en enda epok uppskattade forskarna massorna för de tre svarta hålen:

• Primärt centralt svart hål: log(M☉) = 7,9 ± 0,4, eller cirka 80 miljoner solmassor
• Sekundärt centralt svart hål: log(M☉) = 5,8 ± 0,5, eller cirka 600 000 solmassor
• Yttre svart hål: log(M☉) = 6,3 ± 0,4, eller cirka 2 miljoner solmassor

Studieförfattarna betonar att dessa massuppskattningar har betydande osäkerheter—huvudresultatet är upptäckten av tre aktiva massiva svarta hål, inte de exakta massorna .

Två av de svarta hålen ligger tätt intill varandra i galaxens centrum, med ett avstånd på bara 620 ljusår i projektion. Det tredje svarta hålet befinner sig i galaxens yttre del, cirka 5 500 ljusår från centrum .

Tillväxt i det tidiga universum och vägen till sammansmältning

J0148-4214 ger en unik inblick i hur supermassiva svarta hål kunde växa så snabbt i det tidiga universum. Systemet tyder på att sammansmältningar och interaktioner var effektiva på att föra samman massiva svarta hål, vilket gav en snabb väg för deras tillväxt . Detta är det första beviset på att system med tre svarta hål existerade under kosmos första 1,2 miljarder år.

De två centrala svarta hålen, som bara är 620 ljusår från varandra, förväntas så småningom att smälta samman. Detta nära par banar väg för de massiva svarta hålsammansmältningar som framtida gravitationsvågsobservatorier—som Laser Interferometer Space Antenna (LISA)—är designade för att detektera. Upptäckten visar att sådana nära par existerade mycket tidigare än man tidigare känt till .

"Detta är det första beviset på tre aktiva svarta hål i en enda galax i det avlägsna universum," säger Hannah Übler, forskargruppsledare vid Max Planck-institutet för utomjordisk fysik (MPE) och huvudförfattare till studien .

Vad detta innebär för gravitationsvågsastronomi

De två centrala svarta hålen i J0148-4214 är åtskilda med bara några hundra parsek, vilket innebär att de är gravitationellt bundna och på väg att kollidera. När de så småningom smälter samman kommer de att producera gravitationsvågor som kan detekteras av rymdbaserade observatorier som LISA, som är utformat för att observera sammansmältningar av massiva svarta hål. Upptäckten visar att sådana nära par existerade mycket tidigare i kosmisk historia än vad man tidigare känt till, vilket ger gravitationsvågsastronomer ett tydligt mål och bekräftar att det tidiga universum var en aktiv miljö för sammansmältningar av svarta hål .

Varför denna upptäckt är viktig

• Först i sitt slag: Ingen galax i det tidiga universum har tidigare bekräftats ha tre aktivt växande supermassiva svarta hål.
• Snabb tillväxt: Systemet tyder på att galaxsammansmältningar och interaktioner var effektiva på att föra samman svarta hål, vilket förklarar hur de kunde växa så snabbt efter Big Bang.
• Föregångare till gravitationsvågor: Det nära centrala paret är en trolig framtida sammansmältning av svarta hål, vilket ger ett naturligt laboratorium för att studera de händelser som LISA kommer att detektera.
• JWST:s unika förmåga: Denna upptäckt var endast möjlig tack vare JWST:s rumsligt upplösta spektroskopi, som kan särskilja flera aktiva kärnor i avlägsna, svaga galaxer .

Resultaten är publicerade i en preprint på arXiv.org under studienamnet "BlackTHUNDER: evidence for three massive black holes in a z~5 galaxy" .

Vad händer härnäst

Astronomer planerar att följa upp med ytterligare JWST-observationer för att studera systemets dynamik mer i detalj och leta efter liknande galaxer med tre svarta hål i andra tidiga universumfält. Upptäckten öppnar ett nytt kapitel i förståelsen av hur de mest massiva objekten i universum uppstod—och hur de fortsätter att forma kosmos genom sammansmältningar.