Astronomové změřili nejtěžší pár supermasivních černých děr

Astronomové změřili pomocí archivních dat z dalekohledu Gemini North binární supermasivní černou díru nacházející se v eliptické galaxii B2 0402+379. Dvojice kompaktních objektů ve středu B2 0402+379 je jedinou supermasivní dvojitou černou dírou, která byla kdy studována dostatečně podrobně, aby bylo možné vidět oba objekty odděleně. Je držitelem rekordu pro nejmenší vzdálenost mezi dvěma veledírami, která kdy byla přímo změřena – pouhých 24 světelných let.

Zatímco toto těsné přiblížení předpovídá silnou fúzi, další studie odhalila, že pár se zastavil v této vzdálenosti před více než 3 miliardami let, což vyvolává otázku: co je zadrželo? Pro lepší pochopení dynamiky systému a jeho přerušeného spojování se profesor Roger Romani ze Stanfordské univerzity a jeho kolegové podívali na archivní data ze spektrografu Gemini North Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS), která jim umožnila určit rychlost hvězd v okolí černých děr.

„Vynikající citlivost spektrografu GMOS nám umožnila zmapovat rostoucí rychlosti hvězd, když se člověk podívá blíže ke středu galaxie. Díky tomu jsme byli schopni odvodit celkovou hmotnost černých děr, které tam sídlí,“ řekl profesor Romani. Autoři odhadují hmotnost dvojité supermasivní černé díry na neuvěřitelných 28 miliard hmotností Slunce, což pár kvalifikuje jako nejtěžší binární černou díru, jaká kdy byla pozorována.

Nejen, že toto měření poskytuje cenný kontext formování binárního systému a historii jeho hostitelské galaxie, ale podporuje dlouhodobou teorii, že hmotnost supermasivní binární černé díry hraje klíčovou roli při zastavení potenciálního splynutí.

„Archiv dat sloužící Mezinárodní observatoři Gemini ukrývá zlatý důl nevyužitých vědeckých objevů,“ řekl Martin Still, programový ředitel NSF pro Mezinárodní observatoř Gemini. „Hromadná měření této extrémní supermasivní binární černé díry jsou úžasným příkladem potenciálního dopadu nového výzkumu, který využívá tento bohatý archiv.“

Pochopení toho, jak se tento binární systém vytvořil, může pomoci předpovědět, zda a kdy dojde ke splynutí – a několik indicií ukazuje na vznik páru prostřednictvím vícenásobných sloučení galaxií. První je, že B2 0402+379 je „fosilní kupa“, což znamená, že je výsledkem sloučení hvězd a plynu celé kupy galaxií do jediné masivní galaxie. Přítomnost dvou supermasivních černých děr spolu s jejich velkou kombinovanou hmotností navíc naznačuje, že vznikly sloučením několika menších černých děr z více galaxií.

Po galaktickém sloučení se supermasivní černé díry čelně nesrazí. Místo toho se začnou míjet kolem sebe, když se usazují na vázané oběžné dráze. Při každém jejich průchodu se energie přenáší z černých děr na okolní hvězdy. Jak ztrácejí energii, pár je tažen k sobě stále blíž, až je od sebe dělí pouhé světelné roky, kdy převezme vládu gravitace a spojí se.

Tento proces byl přímo pozorován u párů černých děr s hvězdnou hmotností – vůbec první zaznamenaný případ byl v roce 2015 prostřednictvím detekce gravitačních vln – ale nikdy u dvojité supermasivní černé díry.

S novými znalostmi o extrémně velké hmotnosti systému astronomové dospěli k závěru, že by bylo zapotřebí výjimečně velkého počtu hvězd ke zpomalení oběžné dráhy dvojité černé díry natolik, aby se dostaly tak blízko. Zdá se, že během tohoto procesu černé díry vyvrhly téměř všechnu hmotu ve svém okolí, takže jádro galaxie postrádalo hvězdy a plyn.

Vzhledem k tomu, že není k dispozici žádný další materiál, který by dále zpomalil oběžnou dráhu páru, jejich sloučení se ve své závěrečné fázi zastavilo. „Normálně se zdá, že galaxie s lehčími páry černých děr mají dostatek hvězd a hmoty na to, aby je rychle spojily,“ řekl Roger Romani. „Vzhledem k tomu, že tato dvojice je tak hmotná, vyžadovala k provedení sblížení spoustu hvězd a plynu.“ Zda dvojice překoná svou stagnaci a nakonec splyne v časovém horizontu milionů let, nebo bude navždy pokračovat v orbitálním pohybu, se teprve určí. Pokud se skutečně spojí, výsledné gravitační vlny by byly stomilionkrát silnější než ty, které vznikají spojením černých děr s hvězdnou hmotností.

Je možné, že by pár mohl překonat tuto konečnou vzdálenost prostřednictvím dalšího sloučení galaxií, které by do systému přineslo další materiál nebo potenciálně třetí černou díru, aby se zpomalila dráha páru natolik, aby došlo ke splynutí. Nicméně vzhledem k tomu, že B2 0402+379 je zřejmě fosilní kupa, je další galaktická fúze nepravděpodobná.
„Těšíme se na následná pozorování jádra B2 0402+379, kde se podíváme na množství plynu,“ řekl Tirth Surti, vysokoškolský student na Stanfordské univerzitě. „To by nám mohlo poskytnout lepší přehled o tom, zda se supermasivní černé díry mohou nakonec sloučit, nebo zda zůstanou zamrzlé v čase jako binární systém.“

Výsledky byly publikovány v časopise Astrophysical Journal.

Zdroj: https://www.sci.news/astronomy/heaviest-binary-supermassive-black-hole-12730.html

autor: František Martinek