Drie superzware zwarte gaten smelten samen

Drie reuzen in een beperkte ruimte

In het chaotische hart van het nabijgelegen sterrenstelsel NGC 6240 hebben astronomen niet twee maar drie superzware zwarte gaten waargenomen, opeengepakt in een volume van minder dan een kiloparsec breed — een configuratie die belooft de manier waarop onderzoekers denken over de vorming en samensmelting van de allergrootste zwarte gaten te veranderen. Spectroscopie met hoge ruimtelijke resolutie met het MUSE-instrument op de Very Large Telescope van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht onthulde dat de zuidelijke kern, die lang werd beschouwd als één enkel object, in feite uit twee afzonderlijke kernen bestaat die ongeveer 198 parsec van elkaar gescheiden zijn; de drie zwaargewichten wegen elk minstens in de orde van 9×107 zonsmassa's en bevinden zich in een gebied van minder dan ongeveer 3.000 lichtjaar breed.

Simulaties en gemeten tijdschalen

Aanvullende dynamische modellering, gebruikmakend van N-body-simulaties afgestemd op de waargenomen parameters van de kern van NGC 6240, biedt globale tijdslijnen voor hoe het drietal zal evolueren. In die modellen kunnen de twee dicht bij elkaar gelegen zuidelijke objecten (in de literatuur aangeduid als S1 and S2) binnen enkele miljoenen jaren een gebonden binair systeem vormen, en kan het grotere drievoudige systeem zich op een langere tijdschaal van tientallen miljoenen jaren in een hiërarchische configuratie voegen. Deze studies tonen ook aan dat drielichameneffecten zoals Kozai–Lidov-oscillaties en chaotische ontmoetingen de orbitale excentriciteiten kunnen verhogen en de afstanden kunnen verkleinen, waardoor de uiteindelijke door gravitatiegolven aangedreven inspiral wordt versneld. Met andere woorden, drievoudige systemen kunnen fungeren als versnellers voor samensmeltingen van zwaargewichten.

Context: drievoudige zwarte gaten zijn zeldzaam maar niet ongekend

NGC 6240 is niet de eerste gerapporteerde drievoudige kern, maar het behoort tot de duidelijkste en dichtstbijzijnde voorbeelden waarbij spectra van hoge kwaliteit de componenten van elkaar scheiden. Eerdere multi-golflengtecampagnes ontdekten andere kandidaat-drietallen — SDSS J0849+1114 werd bijvoorbeeld via infrarood-, röntgen- en optische follow-up geïdentificeerd als een systeem met drie actief accreterende massieve zwarte gaten — en recente radiobeelden hebben een zeldzame drievoudige radio-actieve galactische kern onthuld in een andere samensmeltende groep genaamd J1218/1219+1035. Deze ontdekkingen, verspreid over verschillende golflengtebanden en afstanden, wijzen op een kleine maar groeiende steekproef van systemen waar meerdere massieve zwarte gaten naast elkaar bestaan en uiteindelijk op elkaar zullen inwerken.

Signalen voor gravitatiegolf-astronomie

Samensmeltingen van zwarte gaten produceren gravitatiegolven, maar de frequenties zijn sterk afhankelijk van de massa. Samensmeltingen van superzware zwarte gaten stralen uit op millihertz- of lagere frequenties — onder de band van aardse detectoren zoals LIGO en Virgo — en zijn doelen voor toekomstige observatoria zoals de in de ruimte gestationeerde LISA-missie en voor pulsar timing arrays die gevoelig zijn voor nanohertz-golven. Omdat drievoudige interacties de samensmelting kunnen versnellen en hoge excentriciteiten kunnen veroorzaken, veranderen ze de verwachte timing, amplitude en spectrale inhoud van de gravitatiegolfsignalen. In de praktijk zal een nabijgelegen drietal zoals NGC 6240 niet binnen menselijke tijdschalen samensmelten, maar studies van de dynamica helpen bij het verfijnen van de frequentie van gebeurtenissen en golfvormen voor detectoren van de volgende generatie.

Observationele uitdagingen en kanttekeningen

Het interpreteren van overbevolkte galactische kernen is moeilijk. Projectie-effecten, verduisterend stof, starburst-activiteit en nauw verstrengelde gasstromen kunnen kinematische kenmerken van meerdere zwarte gaten nabootsen of maskeren. De zekerheid in NGC 6240 komt voort uit het combineren van instrumenten die verschillende fysieke processen waarnemen — sterbewegingen in het optische spectrum, heet gas en accretie in röntgenstraling, en compacte radiokernen — en van de verbeterde ruimtelijke resolutie die de adaptive optics in het smalle gezichtsveld van MUSE biedt. Toch vereist het meten van nauwkeurige massa's en orbitale parameters voortdurende monitoring en aanvullende waarnemingen (bijvoorbeeld very-long-baseline radio-interferometrie en diepe röntgenbeeldvorming). De huidige massaschattingen zijn modelafhankelijk en moeten worden verfijnd naarmate er meer gegevens beschikbaar komen.

Waarom de ontdekking nu belangrijk is

Het vinden van drie massieve zwarte gaten zo dicht bij elkaar in een relatief nabijgelegen sterrenstelsel geeft astronomen een concreet voorbeeld om theorieën te testen die voorheen grotendeels op simulaties vertrouwden. Het ondersteunt een beeld waarin ultramassieve zwarte gaten — de reuzen die de schaal uitslaan naar miljarden zonsmassa's — niet alleen kunnen worden gevormd door voeding of herhaalde paarsgewijze samensmeltingen over een lange tijd, maar ook door meer dramatische interacties tussen meerdere sterrenstelsels waarbij verschillende kernen instorten tot één centrale motor. Dat heeft gevolgen voor de morfologie van sterrenstelsels, de geschiedenis van stervorming en de groei van nucleaire activiteit door de kosmische tijd heen.

Volgende stappen voor telescopen en theorie

Vervolgonderzoek zal erop gericht zijn om banen en massa's nauwkeuriger vast te stellen, te zoeken naar kenmerken van door interactie aangedreven accretie, en de zoektocht naar andere drievoudige systemen uit te breiden. Radio-interferometrie met een hogere resolutie kan testen op compacte AGN-kernen en jets, terwijl diepere röntgenopnamen accretie kunnen onthullen die optisch licht mist. Aan de theoretische kant zal het integreren van realistische stellaire en gasachtergronden in drielichamen algemeen-relativistische simulaties de voorspellingen verbeteren over hoe snel dergelijke systemen samensmelten en welke elektromagnetische en gravitatiegolfsignalen ze produceren. Samen zullen deze inspanningen zeldzame momentopnamen zoals NGC 6240 omzetten in statistisch bruikbare beperkingen voor de demografie van zwarte gaten en de fysica van samensmeltingen.

Waar astronomen op zullen letten

• Verfijnde massa- en positiemetingen met behulp van VLBI-radio en verdere adaptieve optiek optische/IR-spectroscopie.
• Het kruislings vergelijken van vergelijkbare morfologische en spectrale kenmerken in grote surveys om een grotere steekproef van drietallen op te bouwen.

Het drievoudige hart van NGC 6240 is een levendige herinnering dat de centra van sterrenstelsels dynamische plekken zijn waar zwaartekracht, gas en tijd samenwerken om de meest extreme objecten van het universum te bouwen. Naarmate telescopen en simulaties verbeteren, zullen systemen als deze veranderen van curiositeiten in hoekstenen van ons begrip van hoe de grootste zwarte gaten hun massa verkrijgen en hoe hun samensmeltingen de laagfrequente gravitatiegolf-hemel verlichten.

Bronnen

• Astronomy & Astrophysics (Kollatschny et al., "NGC 6240: A triple nucleus system in the advanced or final state of merging").
• Astronomy & Astrophysics (artikel over dynamische modellering van de evolutie van de drievoudige SMBH in NGC 6240).
• Persmateriaal en institutionele onderzoekssamenvattingen van het Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP).
• NASA Jet Propulsion Laboratory / Chandra / multi-golflengte follow-up literatuur over drievoudige actieve kernen (SDSS J0849+1114).
• Astrophysical Journal Letters (radio-ontdekking van een drievoudige radio-AGN in J1218/1219+1035).